Выбор беспроводной технологии для промышленного приложения


PDF версия

Проблема выбора беспроводного протокола при построении промышленного приложения волнует многих специалистов. В статье рассмотрены ключевые факторы, которые влияют на возможность применения той или иной беспроводной технологии, в т.ч. пропускная способность, радиус действия, стоимость развертывания, требования к питанию и системные ресурсы. Описаны некоторые виды приложений, которые могут быть реализованы на базе широко распространенных стандартов (ZigBee, Wi-Fi), а также фирменных сетей ISM-диапазона.

Разработчики известно, что существует огромный выбор способов беспроводной передачи данных. Имеются простые схемы передачи команд наподобие тех, которые применяются в системах удаленного бесключевого доступа для автомобилей и управления воротами гаражей. Но существуют и гораздо более сложные беспроводные сети для промышленных приложений. В данной статье представлены различные варианты построения беспроводных сетей для промышленных приложений, их преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать разработчику при выборе беспроводной технологии.
В настоящее время широкое распространение получили три стандарта беспроводных сетей: Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4) и Wi-Fi (IEEE 802.11).
При выборе беспроводной технологии для применения в конкретном приложении важно точно определить возможности технологии и требования приложения. При выборе беспроводной связи учитываются стоимость реализации, гибкость системы и способность удовлетворить техническим требованиям приложения.

Пропускная способность, дальность, требования к питанию и системные ресурсы

Имеются три ключевых фактора, которые следует принять во внимание при оценке возможности применения беспроводной технологии: пропускная способность, дальность и энергопотребление. При сравнении беспроводных протоколов на базе стандартов 802.11 и 802.15.4 можно отметить, что Wi-Fi имеет преимущества по пропускной способности, обеспечивая максимальную скорость передачи в 54 Мбит/с, а 802.15.4 имеет преимущество по дальности и потребляемой мощности (см. табл. 1). Wi-Fi обеспечивает значительно более высокую скорость передачи, что требует дополнительного кодирования данных. В результате увеличивается трафик радиопередачи, а значит, и энергопотребление.
Bluetooth (IEEE 802.15.1) представляет собой еще одну технологию, которая может быть рассмотрена в качестве кандидата для применения в промышленных приложениях. Однако малая дальность, значительный размер требуемого кода, а также тот факт, что Bluetooth представляет собой двухточечную связь, исключает ее из списка возможных решений.
Поиск компромисса между пропускной способностью и энергопотреблением очевиден в таких системах как ноутбуки или смартфоны со встроенной функцией Wi-Fi, которые обычно работают на одной зарядке несколько дней и обеспечивают высокоскоростную передачу данных. В то же время беспроводная сеть датчиков на основе ZigBee может работать в течение нескольких лет от стандартных батарей типа AA.
Таким образом, при максимальной дальности в 300 м протоколы на базе ZigBee идеальны для низкоскоростных приложений удаленного управления, в то время как сеть Wi-Fi идеальна для более скоростных, менее удаленных приложений с высоким энергопотреблением.
В беспроводных сетях при увеличении скорости передачи данных соответственно увеличиваются требования к системным ресурсам. Например, в большинстве встроенных приложений протоколы беспроводной сети 802.11 не работают из-за высокого энергопотребления и большого размера кода. Обычно для работы узла сети 802.11 требуется до 1 Мбайт памяти программ и высокопроизводительный процессор. На рисунке 1 сравниваются размеры кодов различных сетевых протоколов.
Умеренное энергопотребление беспроводной сети 802.11 и применение системного процессора делает сеть Wi-Fi подходящей для компьютерных приложений и реализации транзитного соединения для передачи данных в промышленной сети. Однако мобильные устройства требуют пониженного энергопотребления и не имеют достаточных системных ресурсов. При решении таких задач как удаленный мониторинг температуры, давления и параметров срабатывания требуется низкое энергопотребление и меньшие системные ресурсы.
Протоколы ZigBee относительно непритязательны к размеру кода (32…70 Кбайт) и обеспечивают среднюю дальность (10—100 м). Эти свойства делают ZigBee хорошим выбором для промышленных сетей. Одним из главных преимуществ ZigBee является возможность создания ячеистой сети (см. рис. 2). В рамках такой сети можно передавать сообщения от узла к узлу. Если какой-либо из узлов отказывает или не включается, сообщение так или иначе приходит к получателю. Ячеистые сети требуют сложного управления пакетами и, следовательно, большего объема памяти.

 

Рис. 1. Системные ресурсы, которые требуются при реализации различных беспроводных сетей

Рис. 2. Топологии «звезда», «дерево» и ячеистая сеть

Wi-Fi-системы обычно конфигурируются по топологии «звезда», но для увеличения дальности могут с помощью повторителей или маршрутизаторов быть сконфигурированы в виде «дерева». Однако ячеистые сети Wi-Fi не поддерживает. В то же время многие беспроводные сети датчиков на базе ZigBee поддерживают топологии типа «звезда», «дерево» и ячеистые сети.

Фирменные сети ISM-диапазона

Кроме сетей, основанных на действующих стандартах, имеются также фирменные сети, которые не зависят от существующих стандартов. Они, как правило, работают в ISM-диапазоне на частотах 915 МГц и 2,4 ГГц. Иногда для систем управления и контроля используются также частоты 315 или 433 МГц. Местные нормативные требования часто определяют, какую частоту можно использовать.
Поскольку радиосигнал передается по воздуху, уровень его мощности уменьшается со скоростью, обратно пропорциональной расстоянию и прямо пропорциональной частоте. Ниже приведено выражение для потерь на трассе (распространения радиоволны), а на рисунке 3 показаны графики зависимости этих потерь от расстояния для различных частот передачи.

 

 ,

где L — потери на трассе, дБ, d — расстояние, м, а λ — длина волны, м.
Как видно их рисунка 3, на расстоянии 100 м потери на трассе при передачи радиосигнала в свободном пространстве составят:
2,4 ГГц, 80 дБ;
915 МГц, 72 дБ (потери на трассе на 8 дБ меньше, чем для частоты 2,4 ГГц);
433 МГц, 65 дБ (потери на трассе на 15 дБ меньше, чем для частоты
2,4 ГГц).

 

Рис. 3. Потери на пути распространения радиоволны в зависимости от различных частот передачи

В радиосистемах принимаемый сигнал представляет собой сумму передаваемой мощности и усиления антенны за вычетом потерь на трассе:

R = Pt + Gant — L,

где R — мощность принятого сигнала, Gant — коэффициент усиления антенны, L — потери на трассе.
Для системы, которая обеспечивает мощность 10 дБм и имеет коэффициент усиления антенны, равный нулю, можно рассчитать мощность принятого сигнала на расстоянии 100 м в идеальном открытом пространстве:
2,4 ГГц, –70 дБ;
915 МГц, –62 дБ;
433 МГц, –55 дБ.
Это означает, что приемник для
2,4-ГГц системы должен иметь чувствительность, по крайней мере, на уровне –70 дБ, чтобы детектировать сигналы в условиях идеального открытого пространства.
Кроме потерь на трассе в открытом пространстве передаваемый сигнал также ослабляется из-за влияния зданий, зеленых насаждений и других объектов. Дополнительными проблемами является многолучевое распространение и рассеивание сигнала. Другие модели потерь на трассе, такие как модель Хата, учитывают высоту антенны над землей и потери, обусловленные эффектами городской застройки. Эти модели позволяют получить более реалистичные показатели потерь на трассе. Реальные величины потерь на трассе существенно выше тех значений для большинства приложений, которые приведены на рисунке 3. Примечательно, что с увеличением частоты потери на трассе также растут. Это является одной из причин, по которым 2,4-ГГц системы обладают меньшей дальностью, чем 915- или 433-МГц системы.
Широко используемым эмпирическим правилом в проектировании радиочастотных систем является то, что при увеличении энергетического бюджета линии связи на 6 дБ дальность увеличивается примерно в два раза. Таким образом, 915-МГц системы обладают примерно в два раза большей дальностью передачи по сравнению с 2,4-ГГц системами, а 433-МГц системы — в два раза большей дальностью передачи по сравнению с 915-МГц системами.
Скорость передачи также играет важную роль при выборе частоты и модуляции для промышленной сети. Приложения для удаленного мониторинга температуры и параметров срабатывания функционируют наилучшим образом, если они спроектированы на базе фирменной сети, работающей с компактным набором программ при низкой потребляемой мощности.
Радиус действия, или дальность, беспроводных решений, использующих фирменные сети ISM-диапазона, часто намного больше, чем могут обеспечить сети на базе таких техно­логий как ZigBee, Bluetooth или 802.11 (Wi-Fi). Кроме меньших потерь на трассе в случае фирменных сетей, работающих на более низкой частоте, можно отметить и другие факторы, которые увеличивают дальность действия таких сетей. Среди преимуществ фирменных сетей можно отметить также более компактные пакеты, меньшую скорость передачи и возможность передавать множество копий данных. На рисунке 4 сравнивается радиус действия различных беспроводных сетей.

 

Рис. 4. Радиус действия различных беспроводных технологий

Энергопотребление сетей ZigBee и фирменных сетей ISM-диапазона в большей степени отвечает требованиям промышленных сетей для удаленного мониторинга температуры, давления и параметров срабатывания. Ожидаемая длительность работы узла сети ZigBee от пары батарей AA составляет около года, в то время как для сетей, использующих фирменные протоколы ISM-диапазона, срок службы от одного элемента питания может легко достигать 10 лет. Причиной большего срока работы батарей в сетях ISM-диапазона является возможность выбора рабочего цикла считывания данных и, таким образом, адаптации решения к конкретной задаче.
Для систем ZigBee (802.15.4) принята рабочая частота 2,4 ГГц с модуляцией прямой последовательностью с распределенным спектром (DSSS) O-QPSK. 2,4-ГГц полоса частот в настоящее время перегружена из-за своего широкого распространения в мире для множества беспроводных устройств, в т.ч. СВЧ-печей. Менее загруженные ISM-диапазоны частотой 915, 868 или 433 МГц обеспечивают вполне обоснованную альтернативу 2,4-ГГц диапазону.
2,4-ГГц диапазон требует применения более коротковолновой антенны, чем 915-МГц диапазон. В результате во многих маршрутизаторах для беспроводных сетей необходимы две антенны (три для сетей 802.11g с частотой 5,6 ГГц). Отражения и многолучевое распространение вызывают провалы при передаче на частоте 2,4 ГГц. Сети, реализованные на базе более низких частот, например 915 МГц, не в такой мере подвержены многолучевому распространению и связанным с ним провалам в передаче, поэтому работают хорошо и с одной антенной.
Многие приложения на частоте 915 МГц и ниже работают устойчиво с расположенной на печатной плате полосковой антенной. Это позволяет снизить общую стоимость решения и является еще одной причиной, по которой системы, функционирующие на частотах, отличных от 2,4 ГГц, часто выбирают для применения в недорогих и действующих на большую дальность промышленных сетях.

Выбор беспроводной технологии для промышленной сети

При выборе беспроводной технологии для промышленной сети датчиков разработчику следует ответить на четыре главных вопроса.
1. Какая скорость измерений требуется для приложения?
2. Каково расстояние от датчика до центра сбора данных?
3. Какая требуется топология сети?
4. Какой источник питания используется в системе?

Скорость измерений и пропускная способность

Сеть Wi-Fi обеспечивает большую пропускную способность и может поддерживать намного более высокую скорость выборки, чем протоколы на базе 802.15.4. Тип датчика, число каналов и скорость измерения определяют требования по пропускной способности. Для высокоскоростных измерений Wi-Fi обеспечивает дополнительные возможности по пропускной способности. Например, 24-битные высокоскоростные данные об ускорении могут пересылаться 32-битными пакетами, и при использовании четырех каналов выборки с частотой 51,2 Квыб./с пропускная способность составляет 6,6 Мбит/с. Для Wi-Fi-пакетов имеются некоторые дополнительные непроизводительные потери, но очевидно, что для поддержки частоты выборки 51,2 Квыб./с потребуется пропускной способность Wi-Fi:

4 канала ∙ 51,2 Квыб./с ∙ 32 бит/выб. = 6,6 Мбит/с.

Платформа беспроводной сети датчиков NI WSN компании National Instruments хорошо подходит для приложений с большим числом каналов. В качестве примера рассмотрим приложение на базе NI WSN, содержащее 8 узлов, 4 аналоговых и 4 цифровых канала на один узел. При частоте выборки 1 выб./с потребуется пропускная способность на уровне 5,2 Кбит/с. В пакет размером 82 байта входит информация о заголовке, 4 аналоговых входных канала, 4 цифровых канала и канальная информация, в т.ч. данные о качестве канала и напряжении батареи:

8 узлов ∙ 1 выб./с ∙ 82 байта/выб. пакет × 8 бит/байт = 5,2 Кбит/с.

Требования по дальности действия

Далее определяется расстояние от датчика до точки доступа к сети. Если расстояние в прямой видимости превышает 30 м, следует использовать повторители для Wi-Fi. Даже если расстояние не превышает 100 м, источники радиопомех, в т.ч. деревья и здания, могут сократить дальность действия системы. Чтобы обеспечить достаточно высокую надежность, рекомендуется инженерная съемка места развертывания для всех беспроводных систем. Если требуемая дальность превышает 100 м, то сеть 802.15.4 обеспечивает максимальную дальность до 300 м в прямой видимости, а с использованием маршрутизаторов общая дальность может быть увеличена еще больше.

Топология сети

Чтобы выбрать оптимальную топологию сети, следует определить местоположение точки доступа или шлюзов и максимальное расстояние от сетевой инфраструктуры до конечного узла или устройства. Одна из возможных топологий — сеть типа «звезда», где центральная точка доступа соединена с несколькими конечными устройствами. Это идеальная конфигурация для Wi-Fi, поскольку расстояние от точки доступа до устройства не превышает 30 м. Если требуется большее расстояние, в этом случае применяется топология типа «дерево», в которой можно использовать или Wi-Fi-повторители, или маршрутизаторы 802.15.4. Если важна надежность сети, то предпочтительнее использование ячеистой топологии сети 802.15.4, в которой конечные устройства могут передавать пакеты через множество маршрутизаторов.

Требования к питанию

И, наконец, заключительным фактором, который необходимо учитывать при выборе беспроводной технологии, являются требования к питанию. Для питания сетевых устройств в течение 2—3 лет от батарей при низкой пропускной способности идеально подходит сеть 802.15.4. Центральный шлюз и встроенный компьютер требуют напряжение питания 9…30 В, однако конечные узлы могут работать в течение нескольких лет от стандартных батарей типа AA. В сети Wi-Fi точка доступа обычно требует питания от сети, в то время как конечные устройства питаются от постоянного тока или солнечных батарей.

Приложения для беспроводных сетей сбора данных на базе Wi-Fi

Высокая пропускная способность Wi-Fi, которая достигает 54 Мбит/с, позволяет построить беспроводную систему сбора данных для скоростных измерений, например, сигналов с тензодатчиков или датчиков ускорения. Более высокая скорость достигается за счет повышения энергопотребления. Примером беспроводной системы сбора данных является система для определения деформаций и напряжений в производственном оборудовании, которая позволяет проверить параметры конструкции и подтвердить расчетные характеристики на ранних стадиях разработки.

Приложения для беспроводных сетей на базе 802.15.4

Низкое энергопотребление и большой радиус действия, доступные в сетях на базе 802.15.4, хорошо подходят для удаленных измерений в течение длительного срока работы. Одним из примеров таких приложений может быть система контроля окружающей среды. Система мониторинга состояния окружающей среды в очистных сооружениях способна легко измерять такие показатели как pH, концентрацию растворенного кислорода и уровень воды в бассейне. Конечные узлы с питанием от батарей можно легко установить вблизи поверхности воды, не подводя питание или коммуникационные кабели. Данные передаются беспроводным способом в шлюз в режиме реального времени, сохраняются в памяти и при необходимости передаются в ИТ-инфраструктуру предприятия.

Заключение

Выбор оптимального беспроводного протокола осуществляется на основе таких ключевых факторов как пропускная способность, дальность и энергопотребление. Wi-Fi имеет преимущества по скорости передачи, а 802.15.4 лучше применять в приложениях, где требуется больший радиус действия и меньшая потребляемая мощность. Протоколы на базе 802.15.4 обеспечивают дополнительные возможности при использовании ячеистой топологии сети, которая позволяет передавать пакеты от конечного узла в шлюз наиболее коротким путем. Кроме того, при выборе технологии беспроводной сети следует учитывать рабочий частотный диапазон и системные ресурсы узлов сети, которые, в конечном итоге, влияют на стоимость выбранного решения. Радиус действия и длительность работы от батарей для беспроводных сетей на базе фирменных протоколов ISM-диапазона часто намного больше, чем обеспечивают сети на базе протоколов ZigBee, Bluetooth или Wi-Fi.

Литература
1. Vince Stueve. Making Choices in Wireless Networks//www.digikey.com.
2. Selecting the Right Wireless Technology//www.ni.com/wireless.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *