Aplicaciones con microprocesadores y módulos PmodRF2

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(1)Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. : Aplicaciones con microprocesadores y módulos PmodRF2. : Ernesto Rivero Pérez : Dr.C., Carlos Alberto Bazán Prieto. , junio 2018.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) i. PENSAMIENTO. “It ain’t what you don’t know that gets you into trouble. It’s what you know for sure that just ain’t so.” Mark Twain.

(4) ii. DEDICATORIA. “A mis padres y a mi futura esposa, coautores de mi existencia, ellos son las bases, guías y fuentes de amor en mi vida”..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por ser los pilares de mi vida y por su apoyo para que pudiera realizar este proyecto. A mi futura esposa, por su dedicación, compresión y apoyo incondicional. Al Dr.C., Carlos Alberto Bazán Prieto, mi tutor, por compartir su tiempo, conocimientos y experiencias como profesional y ser guía en este proyecto. A mis amigos: El Migue, El Zede, El Cade y El Colo, por estar siempre a mi lado en el trayecto de mi carrera. A toda mi Familia y a mis “Padres Postizos”, por brindarme su apoyo incondicional en cada situación de mi vida. A todos mis compañeros y amigos, gracias por hacer ameno este viaje..

(6) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Estudio del estándar IEEE 802.15.4. 2. Estudio de las características generales y específicas de los módulos PmodRF2. 3. Realizar una búsqueda bibliográfica sobre los microprocesadores compatibles con el PmodRF2. 4. Seleccionar el software y el hardware a utilizar en aplicaciones con PmodRF2. 5. El diseño de aplicaciones con la utilización del software y el hardware seleccionado. 6. Implementar aplicaciones que utilicen el PmodRF2..

(7) v. RESUMEN. El estándar IEEE 802.15.4 plantea las bases para las LR-WPAN. Este estándar tiene características que lo hacen adecuado para su aplicación en WSN permitiendo la operación autónoma de los nodos. Los módulos PmodRF2 utilizan el estándar IEEE 802.15.4 y permiten añadir comunicación inalámbrica a proyectos con microprocesadores. La posesión de estos módulos y de distintos microprocesadores en la Universidad motiva la investigación y creación de aplicaciones y proyectos con los mismos. Estos módulos son configurables y no programables, lo que significa que su funcionamiento en todo momento ya está preestablecido. Los registros de control del PmodRF2 son los encargados de modificar y controlar la actuación del mismo, utilizando un bus SPI como medio de comunicación principal entre los módulos y los microprocesadores. La posibilidad de utilizar protocolos propietarios en los PmodRF2, las facilidades del lenguaje de programación para Arduino y la existencia de una biblioteca SPI para esta plataforma, facilitan la implementación de la biblioteca lib_PmodRF2. Esta biblioteca posibilita el uso de las funciones del PmodRF2, abstrayendo a los programadores del manejo de los registros de control. Utilizando lib_PmodRF2, módulos PmodRF2 y placas Arduino existentes en la Universidad, se comprueba el funcionamiento y los beneficios de esto para proyectos futuros..

(8) vi. LISTA DE TABLAS. Tabla 1.1 Descripción de señales en el conector J1 [12]. ....................................................... 8 Tabla 1.2 Modos de operación en SPI [18]. ........................................................................... 9 Tabla 1.3 Lista de colecciones de seguridad [14], [23]. ....................................................... 19 Tabla 1.4 Espacio de memoria de dirección corta [14]. ....................................................... 21 Tabla 1.5 Espacio de memoria de dirección larga [14]. ....................................................... 21 Tabla 2.1 Establecimiento de RFCON0<7-4> para selección de canal. (Tabla modificada de [14]). ..................................................................................................................................... 27 Tabla 2.2 Formato de paquete en RX FIFO.......................................................................... 29 Tabla 2.3 Eventos temporizados por MAINCNT y REMCNT. ........................................... 33 Tabla 2.4 Filtro de formato de tramas [14]. .......................................................................... 43 Tabla 2.5 Selección de potencia de transmisión [14]. .......................................................... 45 Tabla 2.6 Programar valores de ranuras finales. ................................................................... 47 Tabla 3.1 Atributos de la clase PmodRF2. ........................................................................... 60 Tabla 3.2 Banderas de interrupción y estado. ....................................................................... 61 Tabla 3.3 Punteros de lectura y escritura en FIFO. .............................................................. 61 Tabla 3.4 Funciones de lectura y escritura de registros. ....................................................... 62.

(9) vii. LISTA DE FIGURAS. Figura 1.1 Módulo PmodRF2 [12]. ........................................................................................ 6 Figura 1.2 Numeración de pines en el conector J1 (Vista frontal) [16].................................. 7 Figura 1.3 Conexión SPI de un máster con tres esclavos (Figura modificada de [18]).......... 9 Figura 1.4 Operación en modo (0, 0) de SPI (Figura modificada de [19])........................... 10 Figura 1.5 Ejemplos de topologías (Figura modificada de [23]). ......................................... 12 Figura 1.6 Estructura de la superframe (Figuras modificadas de [22] y [23]). .................... 14 Figura 1.7 Diagrama de bloques de un nodo inalámbrico (Figura modificada de [14])....... 20 Figura 1.8 Lectura de dirección corta [14]. .......................................................................... 22 Figura 1.9 Escritura de dirección corta [14]. ........................................................................ 22 Figura 1.10 Lectura de dirección larga [14]. ........................................................................ 23 Figura 1.11 Escritura de dirección larga [14]. ...................................................................... 23 Figura 2.1 Diagrama en bloques de la arquitectura del MRF24J40 (Figura modificada de [14]). ..................................................................................................................................... 24 Figura 2.2 Lógica de interrupción [14]. ................................................................................ 26 Figura 2.3 RSSI contra potencia recivida en dBm [14]. ....................................................... 29 Figura 2.4 Línea de tiempo de sueño en coordinador de red Beacon-Enabled. ................... 34 Figura 2.5 Línea de tiempo de dispositivo en red Beacon-Enabled. .................................... 35 Figura 2.6 Línea de tiempo de sueño en red NonBeacon-Enabled....................................... 36 Figura 2.7 Formato de los TX FIFO. .................................................................................... 38 Figura 2.8 Transmisión de paquetes. .................................................................................... 39 Figura 2.9 Recepción de paquetes [14]................................................................................. 42 Figura 3.1 Conexión de la placa Arduino UNO con el PmodRF2 (vista en Fritzing). ......... 52.

(10) viii Figura 3.2 Conexión de la placa Arduino Mega 2560 con el PmodRF2 (vista en Fritzing). 53 Figura 3.3 Interfaz gráfica del IDE Arduino......................................................................... 54 Figura 3.4 Selección del tipo de placa Arduino. ................................................................... 55 Figura 3.5 Selección del puerto. ........................................................................................... 55 Figura 3.6 Botones de funciones básicas del IDE Arduino. ................................................. 56 Figura 3.7 Añadir una biblioteca al IDE Arduino. ............................................................... 56 Figura 3.8 Incluir una biblioteca en un proyecto. ................................................................. 57 Figura 3.9 Atributos de estado de trama. .............................................................................. 58 Figura 3.10 Atributos de formato de trama........................................................................... 59 Figura 3.11 Definición del constructor de la clase PmodRF2. ............................................. 62 Figura 3.12 Definiciones de funciones de lectura y escritura de registros. .......................... 62 Figura 3.13 Definiciones de funciones de restablecimiento. ................................................ 63 Figura 3.14 Definición de funciones de establecimiento de modos de recepción. ............... 63 Figura 3.15 Definición de funciones de establecimiento de filtros de tramas. ..................... 63 Figura 3.16 Definición de funciones de establecimiento y consulta de identificador de PAN y de dispositivo. .................................................................................................................... 64 Figura 3.17 Definición de funciones de establecimiento y consulta de canal de operación. 64 Figura 3.18 Definiciones de funciones para operaciones con tramas. .................................. 65 Figura 3.19 Definiciones de funciones para operaciones con interrupciones....................... 65 Figura 3.20 Definiciones de funciones para operaciones con el sistema de circuitos de recepción. .............................................................................................................................. 65 Figura 3.21 Definiciones de funciones para operaciones con los números de secuencias. .. 66 Figura 3.22 Definición de función para transmitir (TX Normal FIFO)................................ 66 Figura 3.23 Definiciones de funciones para entrada y salida del modo de sueño. ............... 67 Figura 3.24 Definiciones de funciones para el cálculo de RSSI. .......................................... 67.

(11) ix Figura 3.25 Definición de función para establecer modo turbo. .......................................... 67 Figura 3.26 Definición de función para activar el temporizador MAC. ............................... 68 Figura 3.27 Proceso base para la implementación de una aplicación utilizando la biblioteca lib_PmodRF2. ....................................................................................................................... 69 Figura 3.28 Muestras de la corrida de las aplicaciones de ejemplo. ..................................... 70.

(12) x. GLOSARIO. ~CS ACK ACL AES BI BLE BO CAP CCA CFP CMOS CPHA CPOL CSMA-CA ED FCS FFD FIFO GND GTS IDE IEEE INT ISM LAN LDO LQI LR LVCMOS LVTTL MAC MAN MISO MOSI NC. Selección de Chip (Chip Select) Reconocimiento (Acknowledgment) Lista de Control de Acceso (Access Control List) Estándar de Encriptación Avanzada (Advanced Encryption Standard) Intervalo de Beacons (Beacon Interval) Extensión de la Vida de la Batería (Battery Life Extension) Orden de Beacon (Beacon Order) Período de Contención del Acceso (Contention Access Period) Evaluación de Canal Libre (Clear Channel Assessment) Período Libre de Contención (Contention Free Period) Semiconductor Complementario de Óxido Metálico (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Fase del reloj (Clock Phase) Polaridad del reloj (Clock Polarity) Acceso Múltiple por Detección de Portadora y Prevención de Colisiones (Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance) Detención de Energía (Energy Detection) Secuencia de Chequeo de Trama (Frame Check Sequence) Dispositivo de Funcionalidad Completa (Full-Function Device) Primero en Entrar Primero en Salir (First In First Out) Tierra de Fuente de Alimentación (Ground) Ranuras de Tiempo Garantizada (Guaranteed Time Slot) Ambiente de Desarrollo Integrado (Integrated Development Environment) Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronic Engineers) Salida de Interrupción (Interrupt Output) Industrial, Científica y Médica (Industrial, Scientific and Medical) Red de Área Local (Local Area Network) Baja Caída (Low Dropout) Indicador de Calidad del Enlace (Link Quality Indicator) Baja tasa de transmisión (Low Rate) Tecnología con Lógica CMOS de bajo voltaje (Low Voltage CMOS) Tecnología con TTL de bajo voltaje (Low Voltage TTL) Control de Acceso al Medio (Medium Access Control) Red de Área Metropolitana (Metropolitan Area Network) Entrada de Master, Salida de Esclavo (Master In Slave Out) Salida de Master, Entrada de Esclavo (Master Out Slave In) No conectado (Not Connected).

(13) xi O-QPSK OSI PAN PDA PHY PLL PN PPDU PWM QoS RF RFD RSSI RX SCK SD SDI SDO SNR SO SPI SRAM TFS TTL TX UCLV USB VCC VCO WPAN WSN. Modulación por Desviación de Fase Cuaternaria Desplazada (OffsetQuadrature Phase Shift Keying) Interconexión de Sistemas Abiertos (Open System Interconnection) Red de Área Personal (Personal Area Network) Asistente Digital Personal (Personal Digital Assistant) Capa Física (Physical layer) Lazo de Seguimiento de Fase (Phase-Locked Loop) Ruido Pseudo-aleatorio (Pseudo-random Noise) Unidad de Datos de Protocolos de nivel Físico (PHY Protocol Data Unit) Modulación por Ancho de Pulso (Pulse-Width Modulation) Calidad de Servicio (Quality of Service) Radio Frecuencia (Radio Frequency) Dispositivo de Funcionalidad Reducida (Reduced-Function Device) Indicador de Fuerza de Señal Recivida (Received Signal Strength Indicator) Recepción (Reception) Reloj Serie (Serial Clock) Duración de la supertrama (Superframe Duration) Entrada de Datos Serie (Serial Data In) Salida de Datos Serie (Serial Data Out) Relación Señal a Ruido (Signal to Noise Ratio) Orden de la Superframe (Superframe Order) Interfaz de Periféricos Series (Serial Peripheral Interface) Memoria de Acceso Aleatorio Estática (Static Random Access Memory) Inicio del FIFO de Transmisión (TX FIFO Start) Lógica Transistor a Transistor (Transistor-Transistor Logic) Transmisión (Transmission) Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas Bus Serie Universal (Universal Serial Bus) Fuente de Alimentación (3.3V) Oscilador Controlado por Voltaje (Voltage Controlled Oscillator) Red Inalámbrica de Área Personal (Wireless Personal Area Network) Redes de Sensores Inalámbricos (Wireless Sensors Network).

(14) xii. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i DEDICATORIA .....................................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS ..........................................................................................................ii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv RESUMEN ............................................................................................................................. v LISTA DE TABLAS ............................................................................................................. vi LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................vii GLOSARIO ............................................................................................................................ x TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................xii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1. 1.1. Caracterización del módulo PmodRF2 y el estándar IEEE 802.15.4 ........ 5. Módulos PmodRF2 .................................................................................................. 5. 1.1.1. Descripción del Funcionamiento ...................................................................... 6. 1.1.2. Características Eléctricas .................................................................................. 7. 1.1.3. Conexión del PmodRF2 .................................................................................... 7. 1.2. Estándar IEEE 802.15.4 ......................................................................................... 10. 1.2.1. Descripción General ....................................................................................... 11. 1.2.2. Componentes de una WPAN IEEE 802.15.4 ................................................. 12. 1.2.3. Topologías de red............................................................................................ 12. 1.2.4. Visión general del funcionamiento ................................................................. 12. 1.3. Capa Física del estándar IEEE 802.15.4 ................................................................ 15.

(15) xiii 1.3.1. Detección de Energía e Indicador de Calidad del Enlace ............................... 15. 1.3.2. Evaluación de Canal Libre .............................................................................. 16. 1.3.3. Transmisión y recepción de datos ................................................................... 16. 1.4. Subcapa MAC del estándar IEEE 802.15.4 ........................................................... 17. 1.4.1. Beacons y sus funciones ................................................................................. 17. 1.4.2. Mecanismo de CSMA-CA .............................................................................. 17. 1.4.3. Manejo y utilización de GTS .......................................................................... 18. 1.4.4. Transmisión Indirecta ..................................................................................... 18. 1.4.5. Fiabilidad y seguridad..................................................................................... 18. 1.5. Circuito Integrado MRF24J40 ............................................................................... 19. 1.5.1. Descripción del Hardware .............................................................................. 20. 1.5.2. Organización de memoria ............................................................................... 21. 1.5.3. Interfaz de registros de dirección corta ........................................................... 22. 1.5.4. Interfaz de registros de dirección larga ........................................................... 23. CAPÍTULO 2. 2.1. Funcionamiento del PmodRF2 y su utilización para aplicaciones .......... 24. Descripción de funcionalidades del circuito integrado MRF24J40 ....................... 24. 2.1.1. Restablecimiento ............................................................................................. 25. 2.1.2. Interrupciones ................................................................................................. 25. 2.1.3. Selección de canal ........................................................................................... 27. 2.1.4. Evaluación de canal libre ................................................................................ 28. 2.1.5. Detección de Energía e Indicador de Calidad del Enlace ............................... 28. 2.1.6. CSMA-CA ...................................................................................................... 29. 2.1.7. Reconocimiento .............................................................................................. 30. 2.2. Modo de bajo consumo .......................................................................................... 31.

(16) xiv 2.2.1. Modo de bajo consumo temporizado .............................................................. 32. 2.2.2. Entrada y salida inmediata al modo de bajo consumo .................................... 36. 2.3. Descripción del intercambio de información ......................................................... 37. 2.3.1. Transmisión .................................................................................................... 38. 2.3.2. Recepción........................................................................................................ 41. 2.4. Configuración y establecimiento de redes ............................................................. 44. 2.4.1. Inicialización del módulo................................................................................ 44. 2.4.2. Red Beacon-Enabled....................................................................................... 46. 2.4.3. Red NonBeacon-Enabled................................................................................ 48. CAPÍTULO 3. 3.1. Comunicación de aplicaciones con el PmodRF2 .................................... 49. Selección de hardware y software ......................................................................... 49. 3.1.1. Arduino ........................................................................................................... 50. 3.1.2. Arduino UNO y Arduino Mega 2560 ............................................................. 52. 3.1.3. IDE Arduino ................................................................................................... 53. 3.2. Biblioteca lib_PmodRF2 para Arduino .................................................................. 57. 3.2.1. Atributos de la clase PmodRF2 ...................................................................... 60. 3.2.2. Funciones de la clase PmodRF2 ..................................................................... 61. 3.3. Implementación de una aplicación ......................................................................... 68. 3.4. Ejecución de una aplicación ................................................................................... 69. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 71 Conclusiones ..................................................................................................................... 71 Recomendaciones ............................................................................................................. 72 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 73 ANEXOS .............................................................................................................................. 75.

(17) xv Anexo A.. Descripción de pines del MRF24J40 .......................................................... 75. Anexo B.. Mapa de registros de control de dirección corta para el MRF24J40........... 77. Anexo C.. Mapa de registros de control de dirección larga para el MRF24J40........... 78. Anexo D.. Sumario de registros de control de dirección corta para el MRF24J40 ...... 79. Anexo E.. Sumario de registros de control de dirección larga para el MRF24J40 ...... 81. Anexo F.. Formatos general de tramas MAC IEEE 802.15.4-2003 [23]..................... 83. Anexo G.. Formato de trama Beacon ........................................................................... 84. Anexo H.. Formato de la trama de datos ...................................................................... 86. Anexo I.. Formato de la trama ACK ............................................................................... 86. Anexo J. Formato de la trama MAC command ............................................................. 87 Anexo K.. RSSI contra potencia recibida en dBm [14]................................................ 88. Anexo L.. Algoritmo CSMA/CA no ranurado ............................................................. 90. Anexo M.. Algoritmo CSMA/CA ranurado .................................................................. 91.

(18) INTRODUCCIÓN 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo científico-tecnológico que posee actualmente el ser humano, lo impulsa a la implementación de nuevas herramientas y la modernización o adaptación de las existentes en su interminable búsqueda por mejorar su calidad de vida. Es innegable el auge de las tecnologías y técnicas de comunicaciones que invaden la vida humana. Cada día es mayor la tendencia a utilizar medios inalámbricos para el intercambio de información. Además, la miniaturización de los componentes, ha propiciado la creación de equipos portátiles que permiten emplear estructuras de redes muy complejas con un despliegue de elementos muy sencillo. Para el desarrollo de estos dispositivos fue necesario la creación de un estándar que regulara la base de la comunicación y a su vez optimizara el consumo de energía, con vista a extender la duración de sus baterías. Así surgieron varios grupos de trabajo en el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés) y se definen distintos estándares para disímiles tecnologías en Redes de Área Personal (PAN, por sus siglas en inglés). Uno de estos es el IEEE 802.15.4, que define la capa física y el control de acceso al medio para PAN inalámbricas (WPAN, por sus siglas en inglés) con baja tasa de transmisión (LRWPAN, por sus siglas en inglés), pero vidas útiles muy altas con alimentación limitada (baterías, pilas, etc) [1]. Los módulos PmodRF2 fabricados por Digilent utilizan el estándar mencionado y permiten añadir comunicación inalámbrica a proyectos sencillos con microprocesadores, así como lograr que dispositivos portátiles como computadoras personales (PC, por sus siglas en inglés), asistentes digitales personales (PDA, por sus siglas en inglés), teléfonos, pagers, sensores y actuadores utilizados en domótica, entre otros, puedan comunicarse e interoperar. La posesión de estos módulos, así como de distintos microprocesadores en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) es motivo de interés suficiente para la investigación y creación de aplicaciones y proyectos con los mismos. El estándar IEEE 802.15.4 es la base de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSN, por sus siglas en inglés), las cuales han aprovechado en gran medida la evolución tecnológica. Las.

(19) INTRODUCCIÓN 2 WSN tienen numerosas aplicaciones potenciales entre las que se incluyen el monitoreo de salud, la agricultura de precisión, sistemas de detección de intrusos, monitoreo de las condiciones ambientales, detección precoz de desastres Naturales, rastreo de objetos y otros escenarios de aplicación relevantes tanto para la industria como para la sociedad en general [1]–[3]. En la actualidad, varios dispositivos orientados a la electrónica de consumo como las consolas de videojuegos, los relojes digitales y los electrodomésticos contienen sistemas computacionales embebidos que permiten la comunicación máquina-máquina a través de la creación de redes de datos. Redes ad-hoc inalámbricas como las Redes Vehiculares y las WSN forman parte de la vida cotidiana de millones de personas [4], [5]. De lo antes planteado surge como problema científico de la investigación: ¿Cómo garantizar las comunicaciones entre aplicaciones con microprocesadores utilizando módulos PmodRF2? De este problema científico se define como objeto de investigación el estándar IEEE 802.15.4, siendo el campo de acción la utilización de los módulos PmodRF2. Para responder al problema antes planteado se define como objetivo general desarrollar aplicaciones con microprocesadores y módulos PmodRF2. Para alcanzar este objetivo general se proponen los siguientes objetivos específicos: 1. Caracterizar el módulo PmodRF2 y el estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4. 2. Analizar la relación existente entre los registros del PmodRF2 y su funcionamiento con el estándar. 3. Seleccionar el hardware y software adecuado para las aplicaciones a desarrollar. 4. Implementar aplicaciones con microprocesadores y módulos PmodRF2. 5. Evaluar los resultados obtenidos. Los objetivos específicos están destinados a dar respuesta a las siguientes preguntas científicas: 1. ¿Cuáles son las características del estándar de comunicaciones IEEE 802.15.4 planteadas por la publicación utilizada por los módulos PmodRF2? 2. ¿Qué protocolo de comunicaciones se puede utilizar con el módulo PmodRF2? 3. ¿Cómo utilizar el estándar IEEE 802.15.4 a través de los registros del PmodRF2?.

(20) INTRODUCCIÓN 3 4. ¿Qué aplicaciones para microprocesadores son posible desarrollar utilizando módulos PmodRF2? 5. ¿Cómo evaluar la efectividad de las aplicaciones con microprocesadores y módulos PmodRF2? Este proyecto persigue la ejecución real de aplicaciones con microprocesadores y módulos PmodRF2 y así contribuir al desarrollo de estas. Además, se ofrecerá una alternativa para establecer una comunicación inalámbrica en diseños que requieran movilidad, tamaño reducido, alimentación limitada y poca carga computacional, permitiendo realizar proyectos muy versátiles y de bajo costo. La implementación de estas aplicaciones permitirá a especialistas e investigadores realizar estudios y análisis que logren mejorar el desempeño del estándar IEEE 802.15.4 y los protocolos de alto nivel basados en este como vía de comunicación en aplicaciones con microprocesadores y así continuar el desarrollo de estas teniendo en cuenta los resultados prácticos alcanzados y la confrontación con otros métodos y herramientas. Organización del informe El presente informe de investigación está compuesto por una INTRODUCCIÓN, un Caracterización del módulo PmodRF2 y el estándar IEEE 802.15.4 organizado en tres Caracterización del módulo PmodRF2 y el estándar IEEE 802.15.4, Conclusiones, Recomendaciones. para. investigaciones. futuras. en. el. tema,. REFERENCIAS. BIBLIOGRÁFICAS y ANEXOS: Introducción: En esta se abordan los antecedentes de la investigación, la justificación y la objetividad de su realización. Capítulo 1: Se dedica a la caracterización de los módulos PmodRF2 y del estándar de comunicación IEEE 802.15.4. Primero se mencionan las características generales del PmodRF2. Luego se exponen las características del estándar IEEE 802.15.4, haciendo énfasis en la publicación de 2003 que es la utilizada por el PmodRF2. Por último, se describe el circuito integrado MRF24J40, elemento principal del PmodRF2, atendiendo a su hardware. Capítulo 2: Se presenta el conjunto de registros que comandan el módulo PmodRF2 y cómo utilizarlos en la configuración y control de sus funciones. Además, se describen el proceso.

(21) INTRODUCCIÓN 4 de inicialización del PmodRF2 y la configuración de los elementos de una red en dependencia del modo de operación. Capítulo 3: Se dedica a seleccionar las herramientas de hardware y software a utilizar. Describe la biblioteca lib_PmodRF2 como medio de configuración y control de los PmodRF2 desde aplicaciones con microprocesadores. Además, muestra los pasos básicos para el diseño de aplicaciones con microprocesadores y el PmodRF2. También, expone la implementación de lo antes diseñado y se expresan los resultados..

(22) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 5. CAPÍTULO 1.. Caracterización del módulo PmodRF2 y el estándar IEEE 802.15.4. En el presente capítulo se describen las características de los módulos PmodRF2. En la sección 1.1 se brinda una descripción general de la composición y el funcionamiento de los módulos PmodRF2. En la sección 1.2 se exponen los aspectos generales del estándar IEEE 802.15.4, por el cual se rige el PmodRF2. En las secciones 1.3 y 1.4 se exponen las funciones y características de la capa física y la subcapa de control de acceso al medio del estándar IEEE 802.15.4 respectivamente. El capítulo culmina en la sección 1.5 con las características de hardware del circuito integrado MRF24J40, elemento principal del PmodRF2. 1.1 Módulos PmodRF2 Digilent [6] es una compañía de productos de ingeniería eléctrica que sirve a estudiantes, universidades y fabricantes de equipos a nivel mundial con herramientas educacionales de diseño basadas en tecnología. Además de sus propios productos, Digilent realiza servicios de diseño y manufactura para compañías de tecnología avanzada como Xilinx, Analog Devices, Cypress Semiconductor y National Instruments. Pmod es la abreviatura utilizada por Digilent de módulos periféricos (Peripheral Modules) [7]. Digilent utiliza Pmod como prefijo para nombrar a una serie de placas interfaces de entrada y/o salida fabricadas por la misma empresa. Digilent posee una diversa línea de más de 60 módulos periféricos con los cuales es posible añadir sensores, conversión de datos, comunicación, actuadores y más a proyectos con microprocesadores [7]. Los módulos PmodRF2 (Figura 1.1), fabricados por Digilent, son circuitos impresos que contienen los componentes adicionales necesarios para los transceptores de radio frecuencia del circuito integrado MRF24J40 (ver sección 1.5), fabricados por Microchip [8]. Microchip Technology Inc, más conocida como Microchip, es una compañía que fabrica microcontroladores y semiconductores analógicos [9]. El PmodRF2 fue creado como interfaz para agregar comunicación inalámbrica de radio frecuencia (RF, por sus siglas en inglés) a cualquier placa de sistema Digilent [10]. La configuración de su conector Pmod de 12 pines.

(23) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 6 permite que sea muy sencilla su conexión con los módulos de desarrollo Digilent o Xilinx [11].. Figura 1.1 Módulo PmodRF2 [12]. Las interfaces de los Pmod de Digilent son utilizadas para conectar módulos que trabajan con bajas frecuencias y con un reducido número de pines. La perspectiva general es que estos módulos sean utilizados con señales que respeten las convenciones de bajo voltaje tanto en tecnologías de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS, por sus siglas en inglés) como en tecnologías con lógica transistor a transistor (TTL, por sus siglas en inglés) (LVCMOS y LVTTL, por sus siglas en inglés), 3.3 V [13]. Esto posibilita que con distintos conectores y cables se puedan utilizar los módulos en disímiles placas de desarrollo o con una amplia gama de microprocesadores, ampliando el número de proyectos y aplicaciones en las cuales pueden ser utilizados. 1.1.1 Descripción del Funcionamiento El PmodRF2 provee soporte de RF para aplicaciones con microprocesadores utilizando razones de datos de 250 kbps según el estándar IEEE 802.15 o razones de 625 kbps en un Modo Turbo. Como se mencionó anteriormente el circuito integrado principal de estos módulos es el MRF24J40 [8], cumple con en el estándar IEEE 802.15.4-2003 para redes inalámbricas de área personal con bajas tasas de transmisión (LR-WPAN). Este circuito integrado opera en la banda Industrial, Científica y Médica (ISM, por sus siglas en inglés) 2.400-2.48 GHz, una banda no licenciada a nivel mundial [14]. Los módulos fueron diseñados inicialmente para su utilización con los sistemas de desarrollo ya mencionados y con varias familias de microcontroladores de Microchip (por ejemplo,.

(24) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 7 PIC18, PIC24, dsPIC33 y PIC32) utilizando las bibliotecas de software ZigBee®, MiWi™, y MiWi P2P facilitadas por la misma empresa [8]. Sin embargo, es posible utilizarlos con muchos otros microprocesadores y utilizar además de los protocolos citados, otros o alguno propio siempre que estén basados en el estándar IEEE 802.15.4 [14]. 1.1.2 Características Eléctricas En cuanto a características eléctricas, los PmodRF2 como se mencionó anteriormente están diseñados para trabajar con un voltaje de alimentación de 3.3 volts, siendo viable su funcionamiento con fuentes cuyo suministro varíen entre 2.7 V y 3.6 V [8]. El módulo posee dos terminales para tierra (GND), interconectados, y dos para fuente (3.3 V), también interconectados, además en su esquema presenta una capacitancia resultante de aproximadamente 11 µF entre los terminales de alimentación. Los pines de entrada y salida cuentan con diodos protectores contra descargas electroestáticas y resistores en series de 100 ohm limitando la corriente para la protección del circuito integrado en caso de cortocircuitos o conflictos en los controladores de suministro [11], [15]. 1.1.3 Conexión del PmodRF2 Anteriormente se ha mencionado que el módulo cuenta con un conector de 12 pines, este es denominados J1 por el fabricante [16]. El J1 es un conector nombrado por Digilent como ‘Pmod tipo 2A’ o ‘SPI expandido’, que respeta las separaciones de los conectores estándar de 12 pines sin embargo no respeta la numeración de estos [11]. Tanto el conector como su numeración se muestran en la Figura 1.2.. Figura 1.2 Numeración de pines en el conector J1 (Vista frontal) [16]. La principal vía de comunicación del módulo con el microcontrolador anfitrión es un bus de Interfaces Periféricas Series (SPI, por sus siglas en inglés) en J1. El PmodRF2 está implementado como un dispositivo esclavo de SPI, el cual requiere de cuatro pines para su funcionamiento, estos son ~CS, SDI, SDO y SCK (ver Tabla 1.1) [8]..

(25) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 8 Tabla 1.1 Descripción de señales en el conector J1 [12]. Pin. Señal. Descripción. 1. ~CS. Selección de Chip. 2. SDI. Entrada de Datos Serie. 3. SDO. Salida de Datos Serie. 4. SCK. Reloj Serial. 5. GND. Tierra de Fuente de Alimentación. 6. VCC. Fuente de Alimentación (3.3 V). 7. INT. Salida de Interrupción. 8. ~RST. Señal para Reestablecer el Hardware. 9. WAKE. Señal para despertar el módulo. 10. NC. (no conectado). 11. GND. Tierra de Fuente de Alimentación. 12. VCC. Fuente de Alimentación (3.3 V). El bus SPI es un protocolo para el intercambio de datos, en forma serie sincrónica, entre un dispositivo máster (procesador principal) y uno o varios esclavos (periféricos), ver Figura 1.3. SPI permite transmitir y recibir datos simultáneamente mediante dos líneas: salida del master-entrada del esclavo (MOSI, por sus siglas en inglés) y entrada del master-salida del esclavo (MISO, por sus siglas en inglés). Además, utiliza una tercera como reloj para marcar la sincronización (SCK). Estas tres líneas son comunes para todos los periféricos de un dispositivo máster por lo que es necesario una señal específica (~CS) para habilitar el dispositivo de interés [17]..

(26) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 9. Figura 1.3 Conexión SPI de un máster con tres esclavos (Figura modificada de [18]). SPI consta de cuatro modos de operación los cuales dependen de la polaridad del reloj (CPOL, por sus siglas en inglés) y la fase del reloj (CPHA, por sus siglas en inglés), ver Tabla 1.2. Dependiendo del parámetro CPOL la señal de sincronización puede ser invertida o no mientras que CPHA es utilizado para cambiar la fase de muestreo. Si CPHA es cero, la muestra del dato se toma en el primer borde del pulso de reloj, en caso de ser uno se toma en el segundo. Este orden de transiciones se respeta ignorando que sean de subida o bajada ya que esto será definido por la polaridad [18]. Tabla 1.2 Modos de operación en SPI [18]. CPOL. CPHA. Descripción. 0. 0. El estado inactivo del reloj es bajo y la muestra se toma en el borde de subida.. 0. 1. El estado inactivo del reloj es bajo y la muestra se toma en el borde de bajada.. 1. 0. El estado inactivo del reloj es alto y la muestra se toma en el borde de bajada.. 1. 1. El estado inactivo del reloj es alto y la muestra se toma en el borde de subida..

(27) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 10 En el modo 0, 0 (CPOL, CPHA) el dato debe estar disponible antes del primer borde de subida del reloj. Las señales MISO y MOSI deben ser estables mientras el pulso esté en alto y pueden ser cambiadas mientras esté en bajo. Como describe la Tabla 1.2 el dato es capturado en la transición de estado bajo a alto y luego es propagado en la caída [19]. En todos los modos las actividades de la entrada y la salida son tomadas en cuenta una vez la señal ~CS es activada. El símbolo ~ en ~CS indica que los periféricos serán habilitados con un estado bajo de esta señal. Para mejor comprensión de la comunicación SPI utilizada por el módulo ver Figura 1.4.. Figura 1.4 Operación en modo (0, 0) de SPI (Figura modificada de [19]). El PmodRF2 también provee una señal indicadora de interrupción (INT, ver Tabla 1.1) de la cual se puede configurar su polaridad (activa por defecto por borde de caída). El módulo activa esta señal cuando tiene información para el sistema anfitrión y la desactiva una vez este lee el registro de estado de la misma, INTSTAT (ver sección). Además, cuenta con otras dos señales ya mencionadas (~RST y WAKE, ver Tabla 1.1) las cuales serán profundizadas en las secciones 2.1.1 y 2.2.2 [8]. 1.2 Estándar IEEE 802.15.4 IEEE 802 es un proyecto del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés) con el objetivo de desarrollar estándares de redes de área local (LAN, por sus siglas en inglés) y redes de área metropolitana (MAN, por sus siglas en inglés) principalmente en las dos capas inferiores del modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos.

(28) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 11 (OSI, por sus siglas en inglés). Dentro de este fue creado el grupo de trabajo IEEE 802.15, especializado en redes inalámbricas de área personal (WPAN) [20]. Las WPAN fueron ideadas para utilizarlas en cortas distancias para permitir que dispositivos portátiles como PC, PDA, teléfonos, pagers, sensores y actuadores utilizados en domótica puedan comunicarse e interoperar. Dentro de IEEE 802.15 existen 5 subgrupos [21]: -. IEEE 802.15.1 WPAN/Bluetooth.. -. IEEE 802.15.2 Coexistencia.. -. IEEE 802.15.3 WPAN de alta razón de transmisión.. -. IEEE 802.15.4 WPAN de baja razón de transmisión.. -. IEEE 802.15.5 Redes en Malla.. 1.2.1 Descripción General El estándar IEEE 802.15.4 define el nivel físico (PHY, por sus siglas del inglés) y el control de acceso al medio (MAC, por sus siglas en inglés) en LR-WPAN. Estas redes de comunicaciones de bajo costo proveen conectividad inalámbrica en aplicaciones con alimentación limitada y requerimientos de rendimiento bajos. El objetivo principal de este tipo de redes es una fácil instalación, transferencia de datos segura, operación en rangos cortos, costos extremadamente bajos, y una razonable vida de la batería manteniendo un protocolo simple y flexible [1]. Este estándar opera en conexiones punto a punto o con topología de estrella utilizando para esto direcciones extendidas de 64 bits o cortas de 16 bits. Además cuenta con una asignación opcional de ranuras de tiempo garantizadas (GTS, por sus siglas en inglés) [22]. En la publicación de 2003 este estándar solo contaba con Acceso Múltiple por Detección de Portadora y Prevención de Colisiones (CSMA-CA) [23] y ya en la revisión de 2011 se incorpora el protocolo ALOHA. IEEE 802.15.4 cuenta con notificación de recepción correcta, reconocimiento (ACK, por sus siglas en inglés), para garantizar la integridad de las transferencias, se enfoca en un bajo consumo, en la posibilidad de detectar la energía en los canales y en la indicación de la calidad del enlace [22]..

(29) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 12 1.2.2 Componentes de una WPAN IEEE 802.15.4 La conformación de un sistema basado en este estándar requiere de dos o más dispositivos comunicándose por el mismo canal. Para esto se definieron dos tipos de dispositivos en las redes IEEE 802.15.4: dispositivos de funcionalidad completa (FFD, por sus siglas en inglés) y dispositivos de funcionalidad reducida (RFD, por sus siglas en inglés). Un FFD puede actuar como coordinador de la red, como dispositivo o como coordinador. Un RFD solo puede actuar como dispositivo. Este último se propone generalmente para aplicaciones extremadamente simples, que no necesiten enviar grandes volúmenes de información y para que estén asociados solo con un FFD a la vez [1]. Una WPAN contiene al menos un FFD el cual operará como coordinador de la misma [23]. 1.2.3 Topologías de red Aunque en la base del estándar se definen solo comunicaciones punto a punto o con topología de estrella (ver Figura 1.5), con el empleo de protocolos de alto nivel es posible operar en topologías más avanzadas utilizando combinaciones de las antes mencionadas siendo posibles hasta topologías de malla [10], [24].. Figura 1.5 Ejemplos de topologías (Figura modificada de [23]). 1.2.4 Visión general del funcionamiento Este epígrafe describirá brevemente las funciones generales del estándar para una LR-WPAN en cuanto a modos de operación y modelos de transferencia de datos. El estándar IEEE 802.15.4-2003 define cuatro tipos de tramas para las comunicaciones: tramas balizas.

(30) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 13 (beacons), tramas de datos, tramas de reconocimiento (ACK) y tramas de comandos MAC (MAC command) [23]. Los formatos de estas tramas son mostrados en los Anexos Anexo F, Anexo G, Anexo H, Anexo I y Anexo J. Este estándar posee a nivel general dos modos de operar en una red, los cuales son denominados Beacon-Enabled y NonBeacon-Enabled [22]. El modo de operación Beacon-Enabled requiere de una transmisión continua de beacons de red, de aquí su nombre. Las beacons tienen que ser transmitidas periódicamente con un intervalo de beacon (BI, por sus siglas en inglés) constante. Este modo es regido por una estructura de tiempo llamada superframe. La superframe está formada por 16, o menos, intervalos o ranuras de tiempo iguales que en total determinan la duración de la superframe (SD, por sus siglas en inglés). La superframe está delimitada por beacons de red transmitidas por el coordinador de la red. El formato de la superframe es definido por el coordinador de la red y este está conformado en general por un período de contención de acceso (CAP, por sus siglas en inglés) que es obligatorio (ver Figura 1.6a, b, d y e) y un período libre de contención (CFP, por sus siglas en inglés) que es opcional (ver Figura 1.6b y e). En el modo Beacon-Enabled se pueden reservar un conjunto de ranuras de tiempo en la superframe para que solo un dispositivo en específico las utilice. Estos conjuntos son conocido como ranuras de tiempo garantizadas (GTS) y puede estar formada por una o más ranuras de tiempo. Las GTS tienen como propósito la calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés) en las redes LR-WPAN. Las GTS son colocadas al final de la superframe y al tiempo ocupado por estas se le como CFP (ver Figura 1.6b y e). El tiempo ocupado por el CAP y el CFP, si existe, es denominado período activo (ver Figura 1.6c y f). La beacon que señala el inicio de la superframe comienza en la primera ranura de esta y es posible que la superframe termine lo suficientemente antes de que aparezca la próxima beacon como para que exista un tiempo de inactividad llamado período inactivo (ver Figura 1.6d, e y f) [22]..

(31) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 14. a) Superframe sin GTS. (SD = BI). d) Superframe sin GTS. (SD ≠ BI). b) Superframe con GTS. (SD = BI). e) Superframe con GTS. (SD ≠ BI). c) Superframe con SD igual a BI.. f) Superframe con SD desigual a BI.. Figura 1.6 Estructura de la superframe (Figuras modificadas de [22] y [23]). El modo NonBeacon-Enabled no utiliza la superframe por lo que el envío de beacons por parte de los coordinadores se restringe solo a las ocasiones en las cuales estas sean requeridas por otro dispositivo o para establecer la red de área personal (PAN) [22]. En este modo los dispositivos no están regidos por ninguna estructura temporal por lo que pueden intentar transmitir en cualquier momento. Existen tres tipos de transacciones de transferencia de datos para el estándar: -. Transferencia de datos a un coordinador.. -. Transferencia de datos desde un coordinador.. -. Transferencia de datos entre dispositivos..

(32) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 15 En topologías de estrella solo existen los dos primero debido a que todo RFD debe conectarse solo a un coordinador y para comunicarse entre ellos deben hacerlo a través del coordinador, mientras que en las topologías punto a punto es posible realizar cualquier transacción [22]. 1.3 Capa Física del estándar IEEE 802.15.4 La capa física (PHY, por sus siglas en inglés) provee servicios de datos y administración, permitiendo la transmisión y recepción de unidades de datos de protocolo (PPDU, por sus siglas en inglés) a través del canal físico de radio. Además, es la encargada de la activación y desactivación del transceptor de radio, detección de energía (ED, por sus siglas en inglés), indicador de calidad del enlace (LQI, por sus siglas en inglés), selección de canal y evaluación de canal libre (CCA, por sus siglas en inglés) [22]. El estándar actualmente vigente [1] incorpora varias bandas de frecuencias y modos de operación para la capa física mientras que en la versión publicada en 2003 estaba enfocado solo a las bandas de 868 MHz, 915 MHz y 2450 MHz [23]. Siendo esta última la que utiliza el PmodRF2, por lo que se ignorará la información relacionada a las otras. La banda de 2450 MHz está formada por 16 canales numerados del 11 al 26 donde su frecuencia central está dada por la ecuación FC = 2405 + 5 × (k - 11) [MHz], para k = 11, 12, …, 26. (1.1). FC = 2405 + 5 × (k - 11) [MHz], para k = 11, 12, …, 26. (1.1). [23]:. La capa física es la encargada de seleccionar la frecuencia de operación atendiendo a las peticiones de la subcapa MAC. 1.3.1 Detección de Energía e Indicador de Calidad del Enlace La detección de energía (ED) en un receptor tiene como objetivo brindar información a una capa de red en la cual se implemente un algoritmo para la selección de canal. ED resulta en un estimado de la potencia de señal recibida dentro del ancho de banda de un canal, para lograrlo emplea el tiempo de 8 periodos de símbolos y no intenta identificar o decodificar señales en el canal [23]. El resultado de ED se reporta a la subcapa MAC en un entero de 8 bits denominado indicador de fuerza de señal recibida (RSSI, por sus siglas en inglés) donde.

(33) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 16 0x00 indica una potencia de señal menor o igual que -90 dBm mientras que 0xff indica una igual o mejor que -35 dBm [14]. La obtención del indicador de calidad del enlace (LQI) brinda una caracterización de la fuerza o calidad de un enlace utilizando varias métricas, por ejemplo, RSSI, la razón señal a ruido (SNR, por sus siglas en inglés), ambos combinados, etc., en cada paquete recibido. LQI es reportado desde la capa física a la subcapa MAC como un entero de 8 bits [23]. 1.3.2 Evaluación de Canal Libre La capa física provee la capacidad para desarrollar la evaluación de canal libre (CCA) acorde a uno de los siguientes métodos según [23]: -. CCA Modo 1: Energía sobre el umbral. CCA reportará el medio ocupado cuando detecte cualquier nivel de energía sobre el umbral ED.. -. CCA Modo 2: Detección de portadora solamente. CCA reportará el medio ocupado cuando detecte una señal con las características de modulación y extensión de IEEE 802.15.4 obviando su relación con el umbral ED.. -. CCA Modo 3: Detección de portadora con energía sobre el umbral. CCA reportará el medio ocupado cuando detecte una señal con las características de modulación y extensión de IEEE 802.15.4 y un nivel de energía superior al umbral ED.. En la versión vigente del estándar se han incorporado otros modos, pero estos no son soportados por el PmodRF2. 1.3.3 Transmisión y recepción de datos Esta es la función principal de la capa y se realiza con una razón de transmisión de 250 kbps, utilizando una técnica de modulación 16aria cuasi-ortogonal con espectro extendido por secuencia directa [22]. Durante cada periodo de símbolo de dato, 4 bits de información son utilizados para seleccionar una de 16 secuencias ortogonales de ruido pseudo-aleatorio (PN, por sus siglas en inglés) a transmitir (conocido como valor chip). Las secuencias de PN para símbolos de datos sucesivos son concatenadas y el conjunto de secuencias de chip es modulado sobre la portadora utilizando una modulación por desplazamiento de fase cuaternaria desplazada (O-QPSK, por sus siglas en inglés) [22]..

(34) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 17 1.4 Subcapa MAC del estándar IEEE 802.15.4 Es la encargada de manejar todo el acceso al canal físico de radio, generar las beacons de red si el dispositivo es un coordinador, sincronización de las beacons, soporte de asociación y disociación de PAN, soporte de seguridad para el dispositivo, empleo de CSMA-CA para acceder al canal, manejo y mantenimiento del mecanismo de GTS y garantiza un enlace confiable entre dos entidades MAC. La subcapa MAC también es quien posibilita la transmisión indirecta (solo posible desde un coordinador) y establece los formatos de las tramas utilizadas en la comunicación. 1.4.1 Beacons y sus funciones Las beacons son generadas por los coordinadores y su función principal comienza en un coordinador de red que intenta establecer una PAN. Estas tramas son las encargadas de alertar a los dispositivos cercanos sobre la existencia de la red y brinda la información necesaria para que estos requieran su asociación tanto en Beacon-Enabled como en NonBeaconEnabled. Además, provee información que posibilita la sincronización de dispositivos asociados a una red que opera en modo Beacon-Enabled. En este tipo de redes los dispositivos deben transmitir o escuchar, según le corresponda, siempre en alineación con las ranuras de tiempo de la superframe, no siendo así con el otro modo, en el cual un dispositivo transmite cuando le sea necesario y posible [22]. 1.4.2 Mecanismo de CSMA-CA El algoritmo CSMA-CA es implementado usando unidades de tiempo llamadas períodos backoff y cuenta de un modo ranurado y uno no ranurado. Un período backoff es un intervalo aleatorio de tiempo generado por el dispositivo en el cual espera a que se desocupe el canal a utilizar, si transcurrido este tiempo no puede transmitir genera otro backoff aleatorio y vuelve a esperar, en caso de ocurrir esto un determinado número de ocasiones, se notifica una transmisión fallida. En el modo CSMA-CA ranurado, los límites de los períodos backoff de cada dispositivo en la PAN deben alinearse con los límites de las ranuras de la superframe, definidas por el coordinador de red. Esto significa que el comienzo del primer período backoff de cada dispositivo debe estar alineado con el comienzo de la transmisión de las beacons. Además, en este modo la subcapa MAC debe asegurarse de que la capa PHY comience todas las.

(35) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 18 transmisiones en los límites de un período de backoff. Mientras que en el modo no ranurado el período de backoff de un dispositivo no está relacionado en tiempo con ningún otro en la PAN. CSMA-CA es utilizado antes de enviar una trama de datos o un comando MAC dentro del CAP, salvo que la trama pueda ser transmitida rápidamente después de recibir el ACK de un comando de solicitud de datos. CSMA-CA no debe ser utilizado para la transmisión de beacons en una red Beacon-Enabled. En este tipo de redes se utilizará la versión ranurada del algoritmo y la no ranurada en las redes NonBeacon-Enabled. 1.4.3 Manejo y utilización de GTS Una GTS está compuesto por una o varias ranuras de tiempo dentro del CFP. El manejo de las GTS es realizado por la subcapa MAC de un coordinador en una red Beacon-Enabled. En el CAP, uno o varios dispositivos pueden solicitar a su coordinador el empleo de una o varias GTS, luego este según su decisión informará a través de los beacons los dispositivos, ranuras de la superframe y operación de transmisión o recepción que se utilizarán como GTS. Una vez un dispositivo conoce que GTS se le asignó puede comenzar a utilizarlo en su próxima aparición. Tanto en la transmisión desde el dispositivo como desde el coordinador no se necesita CSMA mientras se trabaje dentro de una GTS [22]. 1.4.4 Transmisión Indirecta Solo para transferencias de datos de un coordinador a sus dispositivos. En este modo, una trama de datos se mantiene en una lista de transacciones por el coordinador, esperando a su extracción por parte del dispositivo correspondiente. Un dispositivo puede averiguar si tiene un paquete pendiente en la lista de transacciones comprobando las tramas beacon recibidas de su coordinador. Ocasionalmente, la transmisión indirecta pude también ocurrir en modo NonBeacon. Por ejemplo, durante un procedimiento de asociación, el coordinador mantiene la trama de respuesta a la asociación en su lista de transacciones y el dispositivo sondea y extrae la trama de respuesta a la asociación [22]. 1.4.5 Fiabilidad y seguridad El empleo de CSMA-CA con el objetivo de evitar las colisiones es uno de los elementos que garantiza la fiabilidad de este estándar, acompañado de la modulación, el ensanchamiento.

(36) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 19 del espectro, el mecanismo de CCA, la transmisión de ACK y la secuencia de chequeo de trama (FCS, por sus siglas en inglés), transmitida con cada trama para la detección de errores. Además, se pueden filtrar las tramas recibidas atendiendo a su tipo (todas las tramas, solo beacons, solo datos o solo comandos MAC) [22]. Aunque el estándar define la implementación de una lista de control de acceso (ACL, por sus siglas en inglés) en la subcapa MAC, esta no existe en el módulo PmodRF2 [14], sin embargo este si posee la capacidad de protección criptográfica definida por el estándar. En modo seguro el subnivel MAC provee una serie de servicios de seguridad (ver Tabla 1.3) a las tramas entrantes y salientes que se integran en siete colecciones distintas, las cuales utilizan el estándar de encriptación avanzada de 128 bits (AES, por sus siglas en inglés) [23]. Tabla 1.3 Lista de colecciones de seguridad [14], [23]. Servicios de Seguridad Id.. 1.5. Nombre de Colección. Control de. Encriptación. Integridad. Novedad. Acceso. de datos. de trama. consecutiva. 0x01. AES-CTR. X. X. X. 0x02. AES-CCM-128. X. X. X. X. 0x03. AES-CCM-64. X. X. X. X. 0x04. AES-CCM-32. X. X. X. X. 0x05. AES-CBC-MAC-128. X. X. 0x06. AES-CBC-MAC-64. X. X. 0x07. AES-CBC-MAC-32. X. X. Circuito Integrado MRF24J40. El circuito integrado MRF24J40 es fabricado por Microchip cuya función es la de un transceptor de RF compatible con el estándar IEEE 802.15.4-2003. Este opera en la banda de 2450 MHz, más conocida como 2.4 GHz, donde puede alcanzar una tasa de transmisión de.

(37) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 20 250 kbps (IEEE 802.15.4) o una de 625 kbps con el modo turbo. MRF24J40 es compatible con los protocolos Zigbee, MiWi, MiWi P2P y otros propios para el trabajo con redes inalámbricas. El chip integra las funcionalidades PHY y MAC del estándar y permite crear elementos de una WPAN con bajo costo y bajo consumo. Además, puede comunicarse con una gran variedad de microcontroladores utilizando un bus SPI de cuatro líneas, un pin de interrupción (INT), uno para despertar (WAKE) y uno para reestablecer el circuito integrado a su estado inicial (~RST) [14]. El Anexo A muestra la descripción de los pines del MRF24J40. La Figura 1.7 muestra un diagrama simplificado de los bloques de un nodo inalámbrico con MRF24J40.. Figura 1.7 Diagrama de bloques de un nodo inalámbrico (Figura modificada de [14]). Este circuito integrado brinda soporte de hardware para varias de las funciones del estándar como lo son: la detección de energía, la detección de portadora, tres modos de CCA, el algoritmo de CSMA-CA, retransmisión automática de paquetes, envío automático de paquetes ACK, cuatro buffers independientes para la transmisión y un mecanismo de seguridad que puede encriptar y desencriptar para la subcapa MAC y capas superiores. Estas características reducen la carga de procesamiento lo que permite el empleo de microcontroladores de bajo costo, de 8 bits [14]. 1.5.1 Descripción del Hardware El circuito integrado utiliza un sintetizador de frecuencia para generar los 2.4 GHz a partir de un cristal externo de 20 MHz. El receptor posee una arquitectura low-IF que consiste de.

(38) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 21 un amplificador de bajo ruido, mezcladores de conversión descendiente, filtros polifásicos de canal y amplificadores que limitan banda base con un RSSI. El transmisor usa una arquitectura de conversión directa con una potencia de salida máxima de 0 dBm y un rango de control de potencia de 36 dB. El circuito de manejo de alimentación consiste en un regulador de voltaje de baja caída (LDO, por sus siglas en inglés) integrado. El MRF24J40 puede entrar en un modo de sueño con un consumo de corriente muy bajo de 2 µA. En este modo se puede utilizar un oscilador interno de 100 kHz o un oscilador externo de cristal de 32 kHz para la temporización. La sección MAC verifica los formatos de los paquetes recibidos y para transmitir y el mecanismo de seguridad provee circuitos para AES-128 con CTR, CCM y CBC-MAC [14]. 1.5.2 Organización de memoria El MRF24J40 utiliza SPI en modo (0, 0) para comunicarse con el microcontrolador anfitrión y permitir a este el acceso a su memoria (ver Figura 1.7). Todas las operaciones realizadas por el circuito integrado son controladas, configuradas y registradas en la memoria del mismo. La memoria del MRF24J40 es implementada como RAM estática (ver Tabla 1.4 y Tabla 1.5). Esta está dividida funcionalmente como registros de control y buffers, primero en entrar primero en salir (FIFO, por sus siglas en inglés), pero en su totalidad se maneja como registros de 8 bits. Los registros de control proveen control, estado y direccionamiento para las operaciones del chip mientras que los FIFO sirven como buffers temporales para la transmisión de datos, la recepción y las llaves de seguridad. A la memoria es accesible mediante dos métodos de direccionamiento: corto y largo [14]. Tabla 1.4 Espacio de memoria de dirección corta [14]. Dirección de inicio 0x00. Función. Registros de Control. Dirección. Tamaño. de fin. en bytes. 0x3F. 64. Tabla 1.5 Espacio de memoria de dirección larga [14]. Dirección de inicio. Función. Dirección. Tamaño. de fin. en bytes.

(39) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 22 0x000. FIFO de Transmisión Normal. 0x07F. 128. 0x080. FIFO de Transmisión de Beacons. 0x0FF. 128. 0x100. FIFO de Transmisión con GTS1. 0x17F. 128. 0x180. FIFO de Transmisión con GTS2. 0x1FF. 128. 0x200. Registros de Control. 0x27F. 128. 0x280. FIFO de Llave de Seguridad. 0x2BF. 64. 0x2C0. Reservado. 0x2FF. 64. 0x300. FIFO de Recepción. 0x38F. 144. 1.5.3 Interfaz de registros de dirección corta El espacio de memoria de direcciones cortas contiene registros de control con direcciones de 6 bits en el rango de 0x00 a 0x3F. La Figura 1.8 y la Figura 1.9 muestran la lectura y escritura de registros de dirección corta respectivamente.. Figura 1.8 Lectura de dirección corta [14].. Figura 1.9 Escritura de dirección corta [14]. La transferencia SPI comienza con un ‘0’ para indicar una transacción de dirección corta. Es seguida por los 6 bits de dirección del registro, el bit más significativo primero. El octavo bit.

(40) CAPÍTULO 1. Características del módulo PmodRF2 y el Estándar IEEE 802.15.4 23 indica si la transacción es de lectura (0) o escritura (1) y atendiendo a esto se recibe o transmite el byte de dato, el bit más significativo primero [14]. 1.5.4 Interfaz de registros de dirección larga El espacio de memoria de direcciones larga contiene registros de control y FIFO con direcciones de 10 bits en el rango de 0x000 a 0x38F. La Figura 1.10 y la Figura 1.11 muestran la lectura y escritura de registros de dirección larga respectivamente.. Figura 1.10 Lectura de dirección larga [14].. Figura 1.11 Escritura de dirección larga [14]. La transferencia SPI comienza con un ‘1’ para indicar una transacción de dirección larga. Es seguida por los 10 bits de dirección del registro, el bit más significativo primero. El doceavo bit indica si la transacción es de lectura (0) o escritura (1) y atendiendo a esto se recibe o transmite el byte de dato, el bit más significativo primero [14]..

(41) CAPÍTULO 2. Funcionamiento del PmodRF2 y su utilización para aplicaciones 24. CAPÍTULO 2.. Funcionamiento del PmodRF2 y su utilización para aplicaciones. En este capítulo se describe las funcionalidades fundamentales de los módulos PmodRF2 y los procedimientos para la utilización de estos en aplicaciones. La sección 0 se centra en funcionalidades simples definidas por el estándar IEEE 802.15.4-2003 que serán utilizadas para propósitos más complejos. La sección 2.2 se describirá todo lo relacionado al modo de bajo consumo. En la sección 2.3 se exponen los detalles del proceso de intercambio de información (Transmisión y Recepción). Por último la sección 2.4 estará dedicada a la inicialización y configuración de los módulos para operar según su función y el modo de red deseado. 2.1 Descripción de funcionalidades del circuito integrado MRF24J40 En la Figura 2.1 se observa un diagrama simplificado de la arquitectura del MRF24J40 donde se resumen los elementos descritos en este capítulo.. Figura 2.1 Diagrama en bloques de la arquitectura del MRF24J40 (Figura modificada de [14]). El conjunto de registros del circuito integrado MRF24J40 son utilizados para el control de sus funciones. Estos registros se muestran en los Anexos Anexo B, Anexo C, Anexo D y Anexo E y se presentarán en el resto del informe según su función..

(42) CAPÍTULO 2. Funcionamiento del PmodRF2 y su utilización para aplicaciones 25 2.1.1 Restablecimiento El circuito integrado posee cuatro formas de restablecimiento (Reset) [14]: -. Reset de encendido.. -. Pin de ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ RESET.. -. Reset por software.. -. Reset de la máquina de estado RF.. En la construcción del MRF24J40 se incorporó un circuito “Power-on Reset” que restablece todos los registros de control cuando es aplicada la alimentación al mismo. Esta operación de restablecimiento también es posible mediante una señal de nivel bajo en el pin 13 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅), y será completada en aproximadamente 250 µs después de pasar a nivel alto. Estos (RESET dos métodos requieren de al menos 2 ms para que el sistema de circuitos RF inicie y se estabilice [14]. El microcontrolador anfitrión puede ordenar a través del registro SOFTRST el restablecimiento del circuito de alimentación, del circuito de banda base y del circuito MAC estableciendo a ‘1’ los bits RSTPWR (0x2A<2>), RSTBB (0x2A<1>) y RSTMAC (0x2A<0>) respectivamente. Estos resets pueden ejecutarse simultáneamente o de forma independiente, y cada uno de ellos será devuelto a su estado original ‘0’ por hardware [14]. Estableciendo el bit RFRST (0x36<2>) del registro RFCTL a ‘1’ se restablece la máquina de estado RF. El bit deberá ser restablecido a ‘0’ por el microcontrolador anfitrión para el funcionamiento normal y es necesario esperar aproximadamente 192 µs para la calibración del sistema RF. Esta operación debe ser realizada luego de un cambio de canal de frecuencia [14]. 2.1.2 Interrupciones El pin de interrupción del MRF24J40 (INT) señaliza uno de ocho eventos al microcontrolador anfitrión. Las interrupciones son habilitadas en el registro INTCON (0x32) y las banderas de las mismas se ubican el en registro INTSTAT (0x31). La señal en INT se mantendrá hasta que el registro INTSTAT es leído, una vez suceda esto tanto la señal como el registro se restablecen. La polaridad del borde de señal en el pin es configurada mediante el bit.

(43) CAPÍTULO 2. Funcionamiento del PmodRF2 y su utilización para aplicaciones 26 INTEDGE (0x211<1>) en el registro SLPCON0, que por defecto es ‘0’, significando borde de caída [14]. Los eventos de interrupción son: -. SLP – Indica que el MRF24J40 intenta entrar en modo de bajo consumo.. -. WAKE – Indica que el MRF24J40 salió del modo de bajo consumo, aunque puede enmascarar una interrupción relacionada con la transmisión de una beacon.. -. HSYMTMR – Indica el final del temporizador MAC.. -. SEC – Indica el arribo de una trama encriptada.. -. RX – Indica que se ha recibido una trama.. -. TXG2 – Indica un evento en la transmisión del FIFO GTS2.. -. TXG1 – Indica un evento en la transmisión del FIFO GTS1.. -. TXN – Indica un evento en la transmisión del FIFO normal.. La Figura 2.2 muestra la lógica detrás del pin de interrupción.. Figura 2.2 Lógica de interrupción [14]..