TI SimpleLink CC3000

Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. Texas Instruments ha recentemente presentato un nuovo modello di microcontrollore, il SimpleLink CC3000, particolarmente adatto alle soluzioni basate sulle tecnologie di comunicazione wireless, come Wi-Fi, ZigBee, 6LowPan e ANT.

Introduzione

Il nuovo processore appartiene alla famiglia di moduli SimpleLink, sviluppata con il preciso obiettivo di semplificare lo sviluppo di applicazioni wireless e la loro certificazione, riducendo al minimo le conoscenze e l’esperienza richieste per aggiungere la funzionalità wireless a una qualunque applicazione. TI dispone di soluzioni SimpleLink adatte a diversi tipi di tecnologie wireless, incluse il Wi-Fi, ZigBee, 6LowPan e ANT; altre ancora saranno aggiunte in futuro. Il modulo SimpleLink CC3000 semplifica lo sviluppo del prodotto riducendo il time-to-market in numerosi tipi di applicazioni, quali: domotica, elettrodomestici, sistemi di controllo dell’energia elettrica, sistemi di sicurezza, applicazioni biomedicali e per il fitness. In Figura 1 è mostrata un’immagine del nuovo modulo presentato da Texas Instruments, con evidenziate le possibili principali applicazioni pratiche dello stesso.

Figura 1: il modulo SimpleLink CC3000

Figura 1: Il modulo SimpleLink CC3000

Con la rivoluzione introdotta dal rapido diffondersi del fenomeno denominato “Internet delle Cose” (Internet of Things, o semplicemente IoT) è nata l’esigenza di collegare ad Internet o al cloud una miriade di dispositivi. Tuttavia, i dispositivi privi di tastiera e di schermo touchscreen, come ad esempio i sistemi per l’apertura automatica dei garage, alcuni tipi di elettrodomestici, i sistemi di illuminazione, i termostati e i tapis roulant, possono essere complicati da collegare a una rete Wi-Fi. Il modulo SimpleLink CC3000 è nato proprio con lo scopo di soddisfare questa esigenza. La tecnologia SmartConfig su cui è basato il modulo è, in sostanza, un processo di configurazione sviluppato da TI che consente a dispositivi multipli privi di display di collegarsi a una rete Wi-Fi tramite un comune smartphone o tablet, il tutto in un unico semplice passo. Il modulo CC3000, infatti, supporta il rilevamento automatico delle applicazioni di servizio installate su smartphone, tablet e PC, utilizzando la tecnologia di rete a configurazione zero denominata Bonjour, consentendo agli utilizzatori di identificare e gestire agevolmente i dispositivi collegati in rete.

Una caratteristica molto importante di questo modulo è quella di appoggiarsi sulla tecnologia SmartConfig, una tecnologia proprietaria di TI. SmartConfig consente di configurare in un modo estremamente semplice e unico la funzionalità Wi-Fi, aggiungendo la connettività wireless anche a sistemi e dispositivi privi di tastiera o schermo touchscreen. Altre caratteristiche aggiuntive includono la capacità di rilevare i servizi, la connettività cloud e una dimensione della memoria molto flessibile. Il modulo integra interamente al suo interno lo stack relativo al protocollo di comunicazione TCP/IP, un driver Wi-Fi e il supporto per la sicurezza. La soluzione Wi-Fi SimpleLink di TI minimizza i requisiti software del microcontrollore host (la MCU) e rappresenta la soluzione ideale per le applicazioni embedded basate su microcontrollori a basso costo e bassa potenza. Il modulo TI CC3000 consente di ridurre il tempo di sviluppo, abbassa i costi di produzione, diminuisce le dimensioni della scheda e minimizza l’esperienza richiesta nel campo della progettazione RF. Si tratta in sostanza di una soluzione basata su una piattaforma completa che include driver software, applicazioni di esempio, guida all’utilizzo delle funzioni API, documentazione utente e una community diffusa a livello mondiale in grado di supportare gli sviluppatori. Va anche sottolineato che il numero di API è piuttosto limitato (circa 35) e che sono principalmente basate sui socket BSD.

CARATTERISTICHE DEL MODULO

Possiamo descrivere le varie funzionalità offerte dal modulo suddividendole in funzionalità di tipo generale, e in caratteristiche prettamente tecniche, quindi tipicamente hardware.

Le funzionalità

Le funzionalità, particolarmente innovative, introdotte dal modulo CC3000 sono sostanzialmente quattro:

  • Tecnologia SmartConfig - permette di eseguire in un unico passo la configurazione wireless dei dispositivi “headless” (cioè privi di display) utilizzando dei comuni smartphone o tablet. E’ possibile gestire simultaneamente più dispositivi, e sono attualmente disponibili versioni di SmartConfig e applicazioni di esempio sia per Android che per iOS. Il collegamento agli AccessPoint avviene “al volo” grazie all’utilizzo della tecnologia “First Time Config” di TI.
  • Dimensione della memoria estremamente flessibile - ciò rende il modulo compatibile con una vasta gamma di microcontrollori, compresi quelli più economici, e agevola l’integrazione con la famiglia di MCU MSP430s e molte altre.
  • Rilevamento e identificazione dei servizi - questa funzionalità, interamente integrata con la tecnologia SmartConfig, consente di eseguire un semplice e veloce rilevamento e identificazione dei dispositivi collegati alla rete, utilizzando un normale smartphone o tablet.
  • Connettività cloud - il modulo è in grado di collegarsi ai server cloud, tramite il protocollo HTTP, grazie alla presenza di uno stack TCP/IP integrato. E’ inoltre possibile eseguire il controllo remoto di dispositivi tramite delle applicazioni di tipo mobile o tramite il web. La connessione ai server cloud, inclusi quelli partner di TI e quelli non, consente poi di attuare il monitoraggio e il controllo in applicazioni basate su tecniche di push e pull dei dati provenienti dai sensori.

CARATTERISTICHE TECNICHE

Le principali caratteristiche tecniche del modulo CC3000 SimpleLink di TI sono le seguenti: processore particolarmente adatto per applicazioni basate sull’utilizzo di reti wireless. Il processore è conforme allo standard IEEE 802.11 b/g (Station) e include uno stack TCP/IP Ipv4 integrato. Sono inoltre presenti un client DHCP e i servizi DNS e ARP, prestazioni radio di assoluto rilievo. La potenza di trasmissione è pari a +18.0 dBm alla velocità di 11 Mbps (CCK). La sensibilità in ricezione, invece, è pari a -88 dBm, 8% PER, alla velocità di 11 Mbps (CCK), è particolarmente adatto ad essere impiegato con MCU a basso costo e prestazioni anche non particolarmente elevate, con un utilizzo della memoria molto ridotto. Il modulo, provvisto di un’antenna integrata, soddisfa le certificazioni Wi-Fi FCC, IC, CE ed ETSI, ampio materiale di supporto relativo all’hardware e guide per la progettazione disponibili da TI. Dispone di un quarzo integrato e di funzionalità specifiche per la gestione degli assorbimenti, dimensioni molto compatte: 16,3 mm x 13,5 mm x 2 mm (leggermente più ridotte ancora nella versione prodotta da Murata), range di temperatura compreso tra - 20°C e 70°C, è basato sulla settima generazione di soluzioni Wi-Fi offerte da TI, supporto per le modalità di sicurezza delle reti Wi-Fi, incluse il WEP, WPA/WPA2 (AES e TKIP - Personal), interfacciamento verso il microcontrollore host tramite SPI operante a 16 MHz, modalità shut down con assorbimento inferiore a 5 μA grazie all’utilizzo di FET. In Figura 2 è mostrato lo schema a blocchi del modulo.

Figura 2: schema a blocchi del modulo

Figura 2: Schema a blocchi del modulo

WLAN - CARATTERISTICHE

La sezione WLAN del modulo presenta le seguenti caratteristiche: unità radio integrata con modem e MAC compatibile con gli standard Ethernet 802.11b/g. Viene supportata la comunicazione di tipo WLAN agendo come stazione BSS con CCK, con velocità OFDM comprese tra 1 e 54 Mbps all’interno della banda ISM a 2,4 GHz, la parte radio possiede una funzionalità di auto calibrazione ed è dotata di un’interfaccia single-ended a 50 che permette una connessione agevole con l’antenna senza richiedere circuiti particolarmente complessi, un connection manager avanzato, con sette profili utente configurabili memorizzati in memoria NVMEM, permette un collegamento veloce e automatico all’access point senza intervento da parte dell’utente o del sistema host; supporto per le modalità di protezione relative alle reti per uso personale: WEP, WPA, WPA2, con circuiti acceleratori della sicurezza integrati sul chip; il tool di configurazione delle reti WLAN SmartConfig consente agli utilizzatori di collegare dispositivi privi di display a una rete WLAN, utilizzando un comune smartphone, tablet o PC.

NETWORK STACK - CARATTERISTICHE

Il modulo comprende uno stack TCP/IP IPv4 integrato con un set di API socket BSD che agevolano e semplificano la connettività (sia ad Internet che a una rete locale) con qualunque tipo di microcontrollore, microprocessore o integrato ASIC. Viene garantito il supporto per i socket sia di tipo TCP che UDP, e sono disponibili, in forma completamente integrata, i classici protocolli di rete come ARP, ICMP, DHCP client e DNS client.

INTERFACCIA CON L’HOST

L’interfacciamento con il sistema host (MCU, microprocessore o ASIC) avviene tramite una comune interfaccia SPI a quattro fili, con velocità massima fino a 16 MHz. E’ inoltre disponibile un driver molto compatto per i microcontrollori Texas Instruments, ma facilmente portabile su un qualunque altro tipo di MCU o ASIC. Le API sono molto semplici, consentendo un’immediata integrazione in qualunque applicazione single-thread o multi-thread.

SISTEMA

Il modulo può operare tramite una sorgente di alimentazione singola e stabilizzata, oppure tramite il collegamento a una batteria. Le linee di alimentazione degli I/O sono separate e consentono pertanto un’integrazione flessibile con i processori o con l’MCU host. Sono disponibili in forma integrata diverse sorgenti di clock, mentre la corrente di leakage, nella modalità shut down, si mantiene al di sotto di 5 μA.

EEPROM

La memoria integrata EEPROM permette di memorizzare le patch firmware, la configurazione di rete e il MAC address. E’ programmabile tramite un’interfaccia I2C o dall’host tramite l’utilizzo di apposite API, consentendo l’aggiornamento del firmware “al volo” (over the air firmware upgrade). La dimensione della memoria EEPROM può arrivare fino a 5 kB, estendendo di fatto la dimensione della memoria NVM dell’MCU.

INTERFACCIA DI TEST

Il modulo CC3000 dispone anche di un’utile interfaccia seriale di test (WLAN) per collegarsi con il “CC3000 radio test tool”, un’applicazione software esterna eseguita su PC, particolarmente utile durante la fase di sviluppo e debug di un’applicazione.

APPLICAZIONI

Tra le principali applicazioni di questo versatile e interessante modulo possiamo citare le seguenti: domotica, automazione degli edifici, sistemi per la sicurezza domestica, elettrodomestici connessi a una rete dati (tipicamente Internet), sistemi per il controllo dell’energia a livello domestico, sistemi di comunicazione M2M. Il collegamento tra il modulo CC3000 e il microcontrollore è eseguito tramite una comune interfaccia SPI, come evidenziato in Figura 3.

Figura 3: interfacciamento del modulo CC3000

Figura 3: Interfacciamento del modulo CC3000

Più precisamente, l’interfaccia SPI utilizzata dal modulo CC3000 include cinque linee, come evidenziato in Figura 4. SPI_DIN e SPI_DOUT sono i segnali dati dall’host allo slave e dallo slave all’host, rispettivamente; SPI_CLK è la linea del segnale di clock (da 0 a 16 MHz), mentre SPI_IRQ è la linea di interrupt, dallo slave verso l’host. SPI_CS, infine, è il segnale (attivo basso) che permette di abilitare (selezionare) il modulo, e viene attivato dall’host quando questo vuole iniziare una comunicazione con uno slave.

Figura 4: i segnali dell’interfaccia

Figura 4: I segnali dell’interfaccia

EVALUATION BOARD

TI propone sostanzialmente tre schede di sviluppo e valutazione, tutte equipaggiate con il modulo CC3000. Vediamo quindi più in dettaglio le caratteristiche e le funzionalità offerte da queste evaluation board.

CC3000EM

CC3000EM è una scheda di valutazione (EM è l’acronimo di Evaluation Module) per il modulo CC3000, il cui scopo è quello di agevolare lo sviluppo e la valutazione dello stesso. La scheda EM include il modulo CC3000 e due connettori standard, RF1 e RF2, ai quali possono essere collegate diverse piattaforme hardware di TI, quali MSP430, Stellaris e C5000. In Figura 5 è mostrata un’immagine della scheda CC3000EM vista dall’alto. Si notino le dimensioni estremamente compatte e la presenza dei connettori RF1 e RF2, posti ai lati del modulo CC3000. La scheda è anche provvista di un connettore EM per ospitare un modulo CC3000, di un connettore per il debug e di un’antenna da 2,4 GHz con guadagno di picco pari a 2,5 dB.

Figura 5: la scheda CC3000EM

Figura 5: La scheda CC3000EM

BOOSTERPACK

Il BoosterPack per CC3000 è anch’essa una scheda progettata per fornire un’attività di supporto e valutazione delle funzionalità offerte dal modulo CC3000. Oltre al modulo, la scheda comprende l’alimentazione e dei connettori standard per consentire il collegamento ai LaunchPad delle architetture MSP430, Stellaris e alle MCU che verranno prodotte in futuro da TI. In Figura 6 è mostrata un’immagine della scheda BoosterPack, ripresa dall’alto.

Figura 6: la scheda BoosterPack

Figura 6: La scheda BoosterPack

CC3000 FRAM EVALUATION MODULE KIT

Il FRAM Evaluation Module Kit sviluppato da Texas Instruments è uno strumento completo per la valutazione, la dimostrazione e lo sviluppo di soluzioni Wi-Fi basate sui microcontrollori SimpleLink CC3000 e MSP430 FRAM. Il CC3000 FRAM EMK dispone di tutto l’hardware e il software necessari per partire subito con l’attività di valutazione e sviluppo del componente, ed include il modulo LS Research TiWi-SL e una scheda sperimentale per MSP430 FRAM. Il CC3000 FRAM Evaluation Module Kit di TI permette inoltre agli utilizzatori di sfruttare pienamente la nuova generazione di dispositivi MSP430 equipaggiati con la memoria ad accesso casuale di tipo ferroelettrico (FRAM). Dal punto di vista hardware, il contenuto del CC3000 FRAM EMK è il seguente: modulo LSR TiWi-SL con scheda EM, modulo Murata TypeVK con scheda EM, Wi-Fi access point MSP430, FRAM Experimenter Board (MSP-EXP430FR5739), hub USB. Il kit è corredato di numerosi esempi e applicazioni software, con codice sorgente incluso.

Alcune tra le numerose applicazioni presenti sono le seguenti: applicazione basata sull’utilizzo di sensori, viene mostrato come eseguire l’acquisizione dei dati da un sensore di temperatura e da un accelerometro, e vengono mostrati gli effetti prodotti dal superamento di una soglia da parte di questi dati; data logger, un’applicazione per visualizzare su PC le registrazioni dei dati provenienti da un accelerometro; applicazione di home automation: permette di regolare remotamente la temperatura degli ambienti domestici tramite un’applicazione basata su Twitter. Sempre tramite Twitter vengono automaticamente ricevute delle notifiche quando la temperatura è al di fuori del range preimpostato; applicazione di base in ambito Wi-Fi: viene eseguita la trasmissione e la ricezione di pacchetti dati in formato UDP tramite connessione a un access point e viene anche fornita una dimostrazione del comando ping. In Figura 7 è mostrata un’immagine della scheda CC3000 FRAM EMK.

Figura 7: la scheda CC3000 FRAM EMK

Figura 7: La scheda CC3000 FRAM EMK

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