Análise aprofundada do módulo UWB650 (parte 2): dominando as funções principais: configuração e uso

Este capítulo serve como um guia prático abrangente, apresentando sistematicamente como configurar e usar o módulo UWB650 por meio de seu conjunto de comandos AT. O conteúdo abordará as três funções principais — transmissão de dados, alcance de alta precisão e posicionamento em tempo real — e fornecerá procedimentos operacionais claros para engenheiros, com exemplos de comandos da documentação.

Interface de Comando AT: Estrutura e Protocolo

Toda a configuração e operação do módulo UWB650 são realizadas por meio de comandos AT seriais. Esses comandos seguem um formato fixo, começando com o prefixo UWBRFATe terminando com um retorno de carro e uma quebra de linha . As respostas do módulo seguem um formato semelhante, começando e terminando com .

Durante a interação de comandos, o módulo utiliza um temporizador interno de aproximadamente 5 ms para determinar se a recepção de dados seriais foi concluída. Respeitar esse tempo é crucial para escrever scripts de controle automatizados estáveis ​​e confiáveis, pois previne efetivamente erros de análise de comandos ou perdas devido ao envio rápido demais dos comandos.

Transmissão de dados: ponto a ponto, transmissão e confiabilidade aprimorada

O módulo oferece recursos de transmissão de dados flexíveis e ricos em recursos, suportando vários modos de comunicação e mecanismos de aprimoramento.

Endereçamento de rede e roteamento de dados

• Identificação do Dispositivo : Cada módulo UWB650 é identificado exclusivamente na rede por um PAN ID (Personal Area Network Identifier) ​​de 16 bits e um Endereço de 16 bits. A comunicação só é possível entre módulos com o mesmo PAN ID, e todos os módulos dentro do mesmo PAN ID devem ter um Endereço exclusivo. Esses dois parâmetros podem ser configurados usando o comando .UWBRFAT+DEVICEID=,

• Alvo de dados : OUWBRFAT+TXTARGET=

  comando é usado para definir o endereço de destino para transmissão de dados. Quando

  é um endereço de dispositivo específico, o módulo se envolverá em comunicação ponto a ponto. Quando

  estiver definido como 0xFFFF, o módulo transmitirá dados no modo de transmissão, e todos os módulos com o mesmo ID PAN na rede poderão recebê-los.

Mecanismos de Confiabilidade e Segurança

• Avaliação de Canal Livre (CCA) : O recurso CCA pode ser habilitado com UWBRFAT+CCAENABLE=1. Quando habilitado, o módulo ouvirá o canal para verificar se ele está ocioso antes de enviar dados. Se o canal estiver ocupado, o módulo abortará a transmissão e retornará CCA FAILUREpela porta serial. Em ambientes UWB densamente implantados, esta função é um meio eficaz de evitar colisões de dados e melhorar as taxas de sucesso da comunicação.

• Reconhecimento Automático (ACK) : O recurso de solicitação de reconhecimento automático pode ser habilitado com UWBRFAT+ACKENABLE=1. Quando habilitado, os quadros de dados unicast enviados pelo módulo incluirão uma solicitação ACK. Após o recebimento bem-sucedido dos dados, o destinatário responderá automaticamente com um quadro ACK. Se o remetente receber o ACK dentro do tempo especificado, a porta serial retornará ACK DETECTED; se o tempo limite for excedido, retornará ACK WAIT TIMEOUT. Este recurso fornece um mecanismo de confirmação da camada de enlace para aplicações que exigem entrega confiável de dados.

• Criptografia de Dados (AES-128) : A criptografia AES-128 pode ser habilitada usando o comando . Quando habilitada, a parte do Frame Payload do pacote de dados transmitido será criptografada. Vale ressaltar que a criptografia adiciona uma sobrecarga de 16 bytes, reduzindo o comprimento máximo de um único pacote de dados que um usuário pode transmitir de 1.012 bytes para 996 bytes. Trata-se de uma compensação clara entre segurança e taxa de transferência de dados.UWBRFAT+SECURITY=,

Gerenciamento de energia

• Recepção Sniff (SNIFF) : Para dispositivos sensíveis à energia e alimentados por bateria, o modo SNIFF pode ser habilitado com o UWBRFAT+SNIFFEN=1comando . Neste modo, o receptor do módulo opera em um ciclo de trabalho de aproximadamente 50% (16 µs ligado, 16 µs desligado), reduzindo significativamente a corrente de recepção de cerca de 100 mA para 65 mA. A desvantagem é a potencial perda de alguns pacotes de dados. Esta é uma relação típica entre consumo de energia e desempenho.

Desempenho da transmissão

Graças ao poderoso buffer transceptor de 1023 bytes do chip DW3000, considerando o comprimento fixo do quadro de dados, um usuário pode transmitir no máximo 1023-11 = 1012 bytes de dados de carga útil do quadro em um único pacote. Como o transmissor sem fio inicia a transmissão após receber uma determinada quantidade de dados do dispositivo terminal ou após aguardar um determinado período sem novos dados, e a transmissão sem fio também leva tempo, há um certo atraso para que os dados passem do transmissor para a saída do receptor. Nas mesmas condições, esse atraso é fixo (o tempo específico é determinado pela taxa da porta serial, pela taxa sem fio e pelo tamanho do pacote de dados).

O tempo total para os dados viajarem da entrada serial do lado emissor até a saída serial do lado receptor é referenciado na tabela abaixo:

Alcance de alta precisão: implementando medição de distância DS-TWR

A função de alcance do módulo baseia-se no método avançado de Alcance Bidirecional de Lado Duplo (DS-TWR), combinado com um esquema de Alcance Bidirecional de Lado Único (SS-TWR). O DS-TWR calcula com precisão o tempo de voo do sinal por meio de uma troca de três mensagens entre dois dispositivos. Sua principal vantagem é a capacidade de eliminar efetivamente erros de alcance introduzidos por diferenças de frequência do cristal (ou seja, desvio do clock) entre os dois dispositivos, alcançando assim medições de alta precisão sem a necessidade de sincronização complexa do clock em toda a rede.

• Definição de Função : Durante o alcance, os dispositivos são categorizados como Iniciador (mestre) ou Respondedor (escravo). O Iniciador inicia ativamente a solicitação de alcance e o Respondedor responde passivamente.

• Operação de Comando :

  • Iniciador : O Iniciador inicia o alcance de um ou mais Respondentes enviando o comando . Aqui, é a quantidade de Respondentes alvo e é a lista de endereços dos Respondentes.UWBRFAT+RANGING=,,,...

  • Responder : O Responder está em modo de resposta por padrão e não requer configuração especial. Ao receber uma solicitação de alcance de um Iniciador, ele participa automaticamente do processo de alcance e envia o resultado pela porta serial após a conclusão.

• Análise do Formato de Saída : Após o Iniciador concluir a varredura, o formato recebido é . Se a varredura falhar, o valor da distância será -1.+RANGING=(),()

• Desempenho : O processo de medição é extremamente rápido. A tabela abaixo mostra o tempo gasto na medição em diferentes modos:

Os engenheiros podem determinar com precisão os horários de início e término do processo de alcance monitorando o nível do pino P011 do módulo.

Sistema de Localização em Tempo Real (RTLS): Estratégias de Posicionamento 2D e 3D

O módulo possui uma função integrada de resolução de localização completa, suportando posicionamento planar 2D e espacial 3D.

• Definição de função : em um sistema de posicionamento, os dispositivos são categorizados como uma etiqueta (um alvo móvel a ser localizado) ou uma âncora (um ponto de referência fixo com coordenadas conhecidas).

• Configuração da Âncora : O primeiro passo na implantação de um sistema de posicionamento é definir com precisão as coordenadas das Âncoras. Use o comando para configurar a posição de cada Âncora em um sistema de coordenadas cartesianas predefinido, com unidades em centímetros. A precisão final de todo o sistema de posicionamento depende em grande parte da precisão das medições das coordenadas da Âncora.UWBRFAT+COORDINATE=,,

• Operação de Tag : Uma Tag inicia uma solicitação de posicionamento enviando o comando . O comando deve incluir os endereços de pelo menos 3 Âncoras (para posicionamento 2D) ou pelo menos 4 Âncoras (para posicionamento 3D). O módulo irá automaticamente mapear cada Âncora na lista e, em seguida, usar seu algoritmo integrado de trilateração (mais precisamente, multilateração) para calcular suas próprias coordenadas (x, y, z) e enviar o resultado pela porta serial.UWBRFAT+LOCATION=,,...

• Mutex de Estado : Os estados funcionais do módulo são mutuamente exclusivos. Por exemplo, quando um módulo atua como um Iniciador para iniciar ativamente o alcance ou posicionamento, ele ficará temporariamente impossibilitado de responder a solicitações de alcance de outros Iniciadores. Da mesma forma, durante o alcance ou posicionamento, um modo de baixo consumo de energia SNIFF habilitado será temporariamente desabilitado para garantir que todos os quadros de resposta de alcance possam ser recebidos. Isso significa que, em sistemas com múltiplos dispositivos ativos (vários Tags ou Iniciadores), uma estratégia razoável de Controle de Acesso ao Meio (MAC), como o Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA), deve ser projetada na camada de aplicação para coordenar o uso do canal e evitar colisões e falhas de solicitação. O próprio módulo fornece os recursos da camada física, mas a operação estável no nível do sistema requer a garantia de protocolos da camada superior.

Análise aprofundada da série de módulos UWB650

• Análise aprofundada do módulo UWB650 (parte 1): introdução à tecnologia UWB e ao módulo UWB650

• Análise aprofundada do módulo UWB650 (parte 2): dominando as funções principais: configuração e uso

• Análise aprofundada do módulo UWB650 (parte 3): funções avançadas e manutenção do sistema

• Análise aprofundada do módulo UWB650 (parte 4): considerações e melhores práticas sobre calibração de atraso de antena e implantação do módulo

• Análise aprofundada do módulo UWB650 (parte 5): comandos de configuração