Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 2): Dominio de las funciones principales: configuración y uso

Este capítulo sirve como una guía práctica completa que presenta sistemáticamente cómo configurar y usar el módulo UWB650 mediante su conjunto de comandos AT. El contenido abarcará las tres funciones principales: transmisión de datos, medición de distancia de alta precisión y posicionamiento en tiempo real, y proporcionará procedimientos operativos claros para ingenieros, con ejemplos de comandos de la documentación.

Interfaz de comando AT: Estructura y protocolo

Toda la configuración y operación del módulo UWB650 se realiza mediante comandos AT serie. Estos comandos siguen un formato fijo, comenzando con el prefijo UWBRFATy terminando con un retorno de carro y un avance de línea . Las respuestas del módulo siguen un formato similar, comenzando y terminando con .

Durante la interacción de comandos, el módulo utiliza un temporizador interno de aproximadamente 5 ms para determinar si la recepción de datos seriales se ha completado. Respetar este tiempo es crucial para escribir scripts de control automatizado estables y fiables, ya que previene eficazmente errores de análisis de comandos o pérdidas debido a un envío demasiado rápido.

Transmisión de datos: punto a punto, difusión y confiabilidad mejorada

El módulo ofrece capacidades de transmisión de datos flexibles y ricas en funciones, admitiendo varios modos de comunicación y mecanismos de mejora.

Direccionamiento de red y enrutamiento de datos

• Identificación del dispositivo : Cada módulo UWB650 se identifica de forma única en la red mediante un ID PAN (Identificador de Red de Área Personal) de 16 bits y una dirección de 16 bits. La comunicación solo es posible entre módulos con el mismo ID PAN, y todos los módulos dentro del mismo ID PAN deben tener una dirección única. Estos dos parámetros se pueden configurar mediante el comando.UWBRFAT+DEVICEID=,

• Objetivo de los datos : ElUWBRFAT+TXTARGET=

  El comando se utiliza para establecer la dirección de destino para la transmisión de datos. Cuando

  es una dirección de dispositivo específica, el módulo establecerá una comunicación punto a punto. Cuando

  Si se establece en 0xFFFF, el módulo transmitirá datos en modo de transmisión y todos los módulos con el mismo ID PAN en la red podrán recibirlos.

Mecanismos de confiabilidad y seguridad

• Evaluación de Canal Libre (CCA) : La función CCA se puede habilitar con [Nombre del módulo UWBRFAT+CCAENABLE=1]. Al habilitarse, el módulo escuchará el canal para verificar si está inactivo antes de enviar datos. Si el canal está ocupado, el módulo cancelará la transmisión y regresará CCA FAILUREpor el puerto serie. En entornos UWB con alta densidad de despliegue, esta función es un método eficaz para evitar colisiones de datos y mejorar las tasas de éxito de la comunicación.

• Acuse de recibo automático (ACK) : La función de solicitud de acuse de recibo automático se puede habilitar con UWBRFAT+ACKENABLE=1. Al habilitarse, las tramas de datos unidifusión enviadas por el módulo incluirán una solicitud de ACK. Al recibir los datos correctamente, el receptor responderá automáticamente con una trama de ACK. Si el emisor recibe el ACK dentro del tiempo especificado, el puerto serie devuelve ACK DETECTED; si se agota el tiempo de espera, devuelve ACK WAIT TIMEOUT. Esta función proporciona un mecanismo de confirmación de capa de enlace para aplicaciones que requieren una entrega de datos fiable.

• Cifrado de datos (AES-128) : El cifrado AES-128 se puede habilitar mediante el comando. Al habilitarse, se cifrará la carga útil de la trama del paquete de datos transmitido. Cabe destacar que el cifrado añade una sobrecarga de 16 bytes, por lo que la longitud máxima de datos de un solo paquete que un usuario puede transmitir se reduce de 1012 a 996 bytes. Esto supone un claro equilibrio entre la seguridad y el rendimiento de los datos.UWBRFAT+SECURITY=,

Administración de energía

• Recepción de rastreo (SNIFF) : Para dispositivos sensibles a la energía y alimentados por batería, el modo SNIFF se puede activar con el UWBRFAT+SNIFFEN=1comando. En este modo, el receptor del módulo opera con un ciclo de trabajo de aproximadamente el 50 % (16 µs activado, 16 µs desactivado), lo que reduce significativamente la corriente de recepción de aproximadamente 100 mA a 65 mA. La contrapartida es la posible pérdida de algunos paquetes de datos. Este es un equilibrio típico entre el consumo de energía y el rendimiento.

Rendimiento de la transmisión

Gracias al potente búfer transceptor de 1023 bytes del chip DW3000, tras considerar la longitud fija de la trama de datos, un usuario puede transmitir un máximo de 1023-11 = 1012 bytes de datos de carga útil de trama en un solo paquete. Dado que el transmisor inalámbrico comienza a enviar tras recibir una cierta cantidad de datos del dispositivo terminal o tras un periodo de espera sin nuevos datos, y que la transmisión inalámbrica también requiere tiempo, existe un cierto retardo en la transmisión de los datos desde el transmisor hasta la salida del receptor. En las mismas condiciones, este retardo es fijo (el tiempo específico depende de la velocidad del puerto serie, la velocidad inalámbrica y el tamaño del paquete de datos).

El tiempo total que tardan los datos en viajar desde la entrada serial del extremo emisor hasta la salida serial del extremo receptor se muestra en la siguiente tabla:

Medición de distancia de alta precisión: Implementación de la medición de distancia DS-TWR

La función de medición de distancia del módulo se basa en el método avanzado de medición de distancia bidireccional de doble cara (DS-TWR), combinado con un esquema de medición de distancia bidireccional de una sola cara (SS-TWR). El DS-TWR calcula con precisión el tiempo de vuelo de la señal mediante un intercambio de tres mensajes entre dos dispositivos. Su principal ventaja es su capacidad para eliminar eficazmente los errores de medición de distancia introducidos por las diferencias de frecuencia del cristal (es decir, la deriva de reloj) entre ambos dispositivos, logrando así mediciones de alta precisión sin necesidad de una compleja sincronización de reloj en toda la red.

• Definición de rol : Durante la medición de distancia, los dispositivos se clasifican como Iniciador (maestro) o Respondedor (esclavo). El Iniciador inicia activamente la solicitud de medición de distancia y el Respondedor responde pasivamente.

• Operación de comando :

  • Iniciador : El iniciador inicia la asignación de uno o más respondedores mediante el envío del comando . Aquí se muestra la cantidad de respondedores objetivo y la lista de direcciones de los respondedores.UWBRFAT+RANGING=,,,...

  • Respondedor : El Respondedor está en modo de respuesta por defecto y no requiere configuración especial. Al recibir una solicitud de medición de distancia de un Iniciador, participa automáticamente en el proceso y envía el resultado a través del puerto serie al finalizar.

• Análisis del formato de salida : Una vez que el iniciador completa la medición de distancia, el formato recibido es . Si la medición falla, el valor de distancia será -1.+RANGING=(),()

• Rendimiento : El proceso de medición de distancias es extremadamente rápido. La siguiente tabla muestra el tiempo empleado en la medición de distancias en diferentes modos:

Los ingenieros pueden determinar con precisión los tiempos de inicio y finalización del proceso de medición de distancia monitoreando el nivel del pin P011 del módulo.

Sistema de localización en tiempo real (RTLS): estrategias de posicionamiento 2D y 3D

El módulo tiene una función de resolución de ubicación completa incorporada, que admite posicionamiento espacial 3D y planar 2D.

• Definición de rol : En un sistema de posicionamiento, los dispositivos se clasifican como una etiqueta (un objetivo móvil a ubicar) o un ancla (un punto de referencia fijo con coordenadas conocidas).

• Configuración de Anclajes : El primer paso para implementar un sistema de posicionamiento es establecer con precisión las coordenadas de los Anclajes. Utilice el comando para configurar la posición de cada Anclaje en un sistema de coordenadas cartesianas predefinido, con unidades en centímetros. La precisión final de todo el sistema de posicionamiento depende en gran medida de la precisión de las mediciones de las coordenadas de los Anclajes.UWBRFAT+COORDINATE=,,

• Operación de Etiqueta : Una Etiqueta inicia una solicitud de posicionamiento enviando el comando . El comando debe incluir las direcciones de al menos 3 Anclajes (para posicionamiento 2D) o al menos 4 Anclajes (para posicionamiento 3D). El módulo ajustará automáticamente el alcance de cada Anclaje de la lista y, a continuación, utilizará su algoritmo integrado de trilateración (o, más precisamente, multilateración) para calcular sus propias coordenadas (x, y, z) y generar el resultado a través del puerto serie.UWBRFAT+LOCATION=,,...

• Mutex de Estado : Los estados funcionales del módulo son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, cuando un módulo actúa como Iniciador para iniciar activamente la medición de distancia o el posicionamiento, no podrá responder temporalmente a las solicitudes de medición de distancia de otros Iniciadores. De igual forma, durante la medición de distancia o el posicionamiento, el modo SNIFF de bajo consumo habilitado se deshabilitará temporalmente para garantizar la recepción de todas las tramas de respuesta de medición. Esto significa que, en sistemas con múltiples dispositivos activos (múltiples Etiquetas o Iniciadores), se debe diseñar una estrategia razonable de Control de Acceso al Medio (MAC), como el Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), en la capa de aplicación para coordinar el uso del canal y evitar colisiones y fallos de solicitud. El módulo proporciona las capacidades de la capa física, pero un funcionamiento estable a nivel de sistema requiere la garantía de los protocolos de capa superior.

Análisis en profundidad de la serie de módulos UWB650

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 1): Introducción a la tecnología UWB y al módulo UWB650

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 2): Dominio de las funciones principales: configuración y uso

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 3): Funciones avanzadas y mantenimiento del sistema

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 4): Consideraciones y mejores prácticas para la calibración del retardo de la antena y la implementación del módulo

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 5): Comandos de configuración