Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Пятница, 17 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Как снизить потребление сети беспроводных датчиков

В статье рассматриваются факторы, влияющие на потребление беспроводных датчиков, и возможные методы экономии энергии в беспроводных сетях.

Воспроизводимое измерение искажений, связанных с нелинейными свойствами широкополосных систем связи

Развитие методов цифровой модуляции и обработки сигналов позволяет использовать коммерческие и военные системы связи для передачи данных со все возрастающей скоростью. Однако по мере увеличения объемов данных, передаваемых во все более широкой полосе частот, снижается качество передачи сигнала, что связано с искажениями, возникающими из-за нелинейности системы передачи. Для оценки нелинейных свойств систем используется метод коэффициента мощности шума (КМШ). В отличие от аналоговых методов, цифровые методы измерения позволяют выполнять легко воспроизводимые точные измерения. Кроме того, цифровой метод ускоряет тестирование и существенно снижает его стоимость.

Влияние канальных эффектов на характеристики систем MIMO

Для реализации преимуществ MIMO в беспроводной связи требуется весьма точное тестирование компонентов и систем MIMO в реальных условиях. Специально созданные с этой целью приборы обеспечивают идеальное инженерное решение, предоставляя быстрый, точный и масштабируемый способ воспроизведения реальных условий и каналов, и позволяют имитировать замирание сигналов MIMO в реальном времени.

 

12 октября

Отслеживание ресурсов на предприятии

Статья посвящена методам отслеживания объектов и ресурсов в промышленной среде. Описаны проблемы, связанные с тяжелыми условиями на предприятии, и некоторые способы их решения. Рассмотрены основные беспроводные стандарты, использующиеся для мониторинга ресурсов.



П

режде чем перейти к рассмотрению промышленных систем мониторинга ресурсов в масштабе реального времени, необходимо представить условия, в которых они работают.
В погоне за прибылью производители стараются повысить эффективность производства. Для этого необходимо оптимально распределить людские ресурсы и автоматические системы, а также учитывать материалы, которые применяются на производстве.
Изначально системы управления, которые следили за ресурсами, ограничивались радиочастотными идентификационными метками (RFID — radio frequency identification). Была большая база меток и считыватели, которые указывали на место, где данная метка была обнаружена в последний раз. Сейчас эти системы переросли в системы реального времени (СРВ), которые могут полностью проследить весь путь объекта.
В настоящее время в СРВ применяются различные беспроводные технологии, причем некоторые из них развиваются очень быстро, обновляясь ежемесячно.
Рассмотрим шесть базовых технологий: RFID, GPS, частотно-линейную модуляцию, RSSI, RuBee и UWB.

Промышленная среда

На производстве условия работы и РЧ фон тяжелы как нигде в другом месте. Количество отражающих и поглощающих поверхностей на заводах, в этих лабиринтах из металла, настолько велико, что сигнал очень быстро ослабляется, вследствие отражений возникает многолучевость распространения, беспроводные устройства начинают работать в условиях непрямой видимости. Все это накладывает отпечаток на производительности, надежности и долговечности компонентов, составляющих СРВ.
Следует также учитывать, что все материалы поглощают волны по-разному. Кроме того, сигналы могут дополнительно ослабляться из-за погодных условий (осадки, испарения, туман).
Влияние большинства перечисленных факторов можно рассчитать, однако это довольно трудоемкий процесс. Для облегчения задачи разработчика в сети Интернет доступны бесплатные программные средства учета основных факторов (например, по адресу [2]), поэтому мы не будем на них останавливаться.
Основной параметр, характеризующий качество канала — это отношение сигнал-шум, или количество ошибочных битов в посылке (BER — bit error rate). При расчете системы после определения рабочей частоты и мощности сигналов необходимо проверить качество канала.
У разработчика есть много вариантов оптимизации канала связи и производительности системы. Во-первых, можно попробовать изменить один или несколько параметров сигнала (амплитуда, частота, фаза) или вид модуляции. Во-вторых, для улучшения BER применяют корректирующие коды или протоколы с подтверждением. У каждого метода есть свои достоинства и недостатки, поэтому нельзя выбрать универсальный.
Перейдем к рассмотрению беспроводных стандартов, наиболее значимых и распространенных в промышленных сетях.

RFID

Системы радиочастотной идентификации включают в себя считыватели, РЧ-метки и базу, содержащую номера всех меток (см. рис. 1). Считыватели являются неотъемлемым элементом системы, поскольку они получают данные с меток и распознают их, сверяя с базой. Считыватели — это устройства, аналогичные электронным ключам на дверях.

Рис. 1. Структура системы радиочастотной идентификации

В системах RFID используются частоты 125 кГц ... 245 ГГц, не требующие лицензирования. Такой широкий диапазон позволяет варьировать параметры системы и получать такие характеристики, которые нужны в данном приложении. Например, если система отслеживает скот, то лучше использовать частоты, близкие к 125 кГц, а не 2,4 ГГц, поскольку низкие частоты ослабляются животными меньше в силу поглощающих свойств живых тканей. С другой стороны, полоса пропускания, соответствующая 125 кГц, гораздо меньше, чем соответствующая более высоким частотам, поэтому скорость передачи данных относительно низкая. Кроме того, чем меньше частота, тем больше должна быть антенна.
Достоинств у систем отслеживания на основе RFID много. Во-первых, метки могут быть пассивными, полуактивными и активными, т.е. содержать микропроцессор. Пассивные метки самые простые, они не имеют аккумулятора и работают от энергии, полученной от опрашивающего сигнала. При этом расстояние между меткой и считывателем не должно превышать один метр. Если метка оснащена встроенным источником питания и содержит передатчик, то расстояние до считывателя может быть увеличено до 100 м. Во многих случаях это крайне важно, особенно если отслеживаемые объекты распределены на большой территории или не имеют прямого доступа к считывателям.
Активные метки обычно содержат модуль памяти и процессор, что позволяет вести статистический учет и передавать больше данных. Недостатком активных меток является более высокие эксплуатационные расходы, связанные с заменой аккумуляторов и пр.
Самые простые системы радиочастотной идентификации не позволяют выявить точные координаты объекта. Они показывают, какой из считывателей последним был ближе всего к данному объекту. Соответственно, чем больше в системе считывателей, тем больше пространственное разрешение и точнее определяется местоположение объекта.
После налаживания системы RFID следующим шагом следует подключить ее к сети, обслуживающей территорию предприятия, чтобы у персонала всегда был доступ к базе и программе мониторинга через точки доступа Wi-Fi или проводные сети. Еще более очевидны преимущества такого подхода из рисунка 2. Считанная информация по сети может сразу направляться на обработку или в систему сбора данных. Кроме того, считыватели могут быть встроены в точки доступа, что упростит поддержание системы в рабочем состоянии и снизит ее стоимость.

Рис. 2. Отслеживание ресурсов с помощью локальной сети предприятия

GPS

Отслеживание ресурсов с помощью глобальной системы навигации — весьма перспективный метод, учитывая практически повсеместное распространение карманных GPS-устройств и автомобильных навигаторов.
Для слежения за объектом необходимо определить его начальные координаты и время обнаружения. Они вычисляются с помощью данных, полученных по крайней мере от четырех спутников.
К сожалению, условия на промышленном предприятии часто не позволяют воспользоваться навигацией, поскольку в зоне видимости может не оказаться четырех спутников, либо на данной территории в силу тех или иных причин сигнал многократно отражается, что затрудняет вычисление координат.
Сигналы с неограниченным правом доступа передаются на частоте 1,575 ГГц. Она не пропускается такими промышленными материалами, как сталь. Кроме того, на открытой местности сигналы с этой частотой быстро ослабляются из-за деревьев. Следовательно, прецизионный навигационный сигнал в лесу или на засаженных улицах оказывается ненадежным.
Если к этому добавить сложности, связанные с обнаружением меток то внутри здания, то становится ясно, что GPS имеет смысл использовать не везде. С другой стороны, есть ряд корректирующих методик, позволяющих повысить качество определения координат. В некоторых случаях они позволяют полноценно использовать систему GPS для отслеживания объектов вне зданий.

Частотно-линейная модуляция

Некоторое время назад от промышленного сообщества поступила просьба разработать простой метод обнаружения местоположения и считывания данных от беспроводных полевых передатчиков. Хотя целесообразность этого предложения все еще обсуждается, разработчики внедряют проект ISA 100.11а и беспроводной стандарт 802.15.4а (Wireless Hart), которые обеспечивают необходимые для полевых условий функциональные возможности.
Принцип работы устройств 802.15.4а основан на изменении центральной частоты передачи линейным образом. Выходной сигнал начинается с одной частоты, но со временем она меняется в соответствии с уравнением (3):

 

F(t) = F0 + a · t,                   (3)

 

где F0 — начальная частота, а — скорость нарастания частоты.
Производительность системы легко найти по аналогии с РЛС с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией. Пусть передатчик посылает сигнал с частотой f1 в момент t1. Отразившись, сигнал приходит обратно в передатчик спустя время 2t. Этот промежуток времени вычисляется по изменению частоты t = f2 – f1/2a. Таким образом, система упрощается за счет отсутствия временных счетчиков.
Принимая, что скорость распространения сигнала равна С, можно найти радиус, на котором находится объект от считывателя. Для определения точных координат объекта необходимо знать расстояния до нескольких считывателей, либо расположение объекта относительно других передатчиков. Точность определения координат с помощью частотно-линейной модуляции составляет единицы см, а расстояния между считывателями могут достигать нескольких десятков метров.
Инфраструктура и сеть связи в этом случае такая же, как и для RFID (см. рис. 2).

RSSI

Рассмотрим метод определения расстояния до объекта через амплитуду принятого сигнала. Будем считать, что изменение амплитуды сигнала прямо пропорционально квадрату пройденного расстояния от объекта до считывателя. Чем больше расстояние, тем слабее сигнал (зависимость ~1/r2).
Метод RSSI подразумевает, что все другие параметры сигнала не меняются, а любое изменение обусловлено дальностью. Зная исходную амплитуду сигнала, легко найти расстояние. Достоинство этого подхода заключается в том, что обработка данных очень простая, поэтому производится прямо в точке доступа или считывателе.
Итак, расстояние известно. Необходимо определить угол. Как и в предыдущем подходе, для определения точных координат требуется несколько точек доступа (ТД) или считывателей (см. рис. 3).

Рис. 3. Вычисление местоположения объекта/ресурса с помощью нескольких точек доступа

Метод RSSI может использоваться с различными беспроводными технологиями и на разных частотах. Однако в зависимости от рабочей частоты будут получены разные результаты. Заметим также, что лучше, если станции будут передавать слабый сигнал, но их самих будет больше. Измерения, основанные только на амплитуде принятого сигнала довольно ненадежны, поскольку любое изменение или пульсация будет трактоваться как изменение расстояния. На самом деле причиной может быть все что угодно, например, уменьшение передаваемой мощности, спад чувствительности приемника, препятствие.
Недостатком RSSI также является отсутствие единицы измерения. Дело в том, что нельзя установить единое соответствие между, скажем, изменением мощности на 1 мВт и пройденным расстоянием для всех беспроводных устройств различных производителей. Каждый производитель использует произвольную шкалу параметров.
Хотя метод RSSI не очень подходит для отслеживания передвижения объектов в режиме реального времени, он весьма полезен для Wi-Fi устройств. Например, чем больше RSSI, тем больше скорость передачи данных. Многие производители включают амплитуду принятого сигнала в отслеживаемые параметры. Когда она ниже какого-то порога, устройство считает канал свободным и начинает передачу.  

RuBee

Следующая технология называется RuBee, или стандарт IEEE P1902. Она основана на использовании длинных волн. Несущий сигнал имеет частоту 135 кГц. Эта технология известна уже давно и описывалась много раз, например в материалах [3], поэтому мы не будем рассматривать ее подробно.
В технологии RuBee используются низкие частоты, что снижает стоимость системы (по сравнению с РЧ-метками) и увеличивает срок службы аккумуляторов. Как и в случае РЧ-меток, в карточку можно вшить статические ОЗУ, сенсоры и ЖКИ.
Единственный недостаток стандарта IEEE P1902 заключается в том, что скорость передачи данных никогда не может превышать 9600 бод, а чаще всего обмен происходит со скоростью 1200 бод.
Метод адресации и передачи данных в RuBee не такой, как в RFID. Обычно каждой РЧ-метке присваивается серийный номер длиной 128 бит (номер партии, какие-то параметры). На сервере хранится большая база номеров.
В RuBee эта информация размещается на упаковке. Для современных систем RFID такой подход оказывается слишком дорогим, поскольку требует наличие EEPROM.
Метки RuBee, наоборот, используют статическое ОЗУ. При этом ОЗУ и аккумулятор вместе обходятся дешевле, чем EEPROM. За счет ОЗУ метки RuBee могут иметь как адрес IPv4, так и IPv6 (в системах с роутером). Каждая метка становится web-сервером, имеющим адрес IPv6 и адрес подсети. Таким образом, через сеть Интернет можно найти любую метку RuBee по всему миру. Из-за такой доступности и масштабности во многих СРВ используется именно RuBee.

UWB — сверхширокополосная передача

Последняя разновидность беспроводных систем, которую мы рассмотрим, характеризуется ультраширокой полосой пропускания (UWB — ultra-wide bandwidth). Это одна из самых лучших технологий для систем реального времени. Она применяется, например, в адаптивных приемных системах. В устройствах стандарта IEEE 802.15.3 технология UWB используется для передачи данных с высокой скоростью.
Устройства, использующие UWB, не описываются каким-то одним стандартом, их работа основана на наборе протоколов связи. Расширенный диапазон передачи позволяет передавать сложные и длинные сообщения. В то же время многолучевость распространения и поглощаемость сигналов остаются на низком уровне. Рассмотрим принцип использования расширенного спектра частот.
Система периодически посылает короткие импульсы, которые позволяют обнаружить объект с большой точностью (импульс длительностью 1 нс соответствует 33 см). Чем короче временной импульс, тем больше пространственное разрешение.
Есть два основных класса приема и распознавания импульсов: когерентный и некогерентный. В обоих случаях посылается короткий по времени импульс с соответствующей ему полосой частот.
Когерентное детектирование (см. рис. 4) имеет самое высокое пространственное разрешение, меньше метра. Обнаружение объекта, как и в других случаях, происходит с применением считывателей. Для лучшей работы за время одного пробега метка должна быть видна нескольким станциям (считывателям). Базовые станции неподвижны и соединены проводной сетью.

Рис. 4. Когерентный способ детектирования

При использовании некогерентного способа детектирования анализируется не каждый временной импульс, а усредненный. Этот метод проще и дешевле, однако имеет ограниченное разрешение (см. рис 5).

Рис. 5. Некогерентный способ детектирования

Главное достоинство сверхширокополосной передачи заключается в использовании широкой полосы частот. В зависимости от региона границы диапазона могут сдвигаться, но ориентировочно это 3...10 ГГц.
Используя сверхширокополосную связь в СРВ, можно объединить достоинства импульсных РЛС с преимуществами коротких импульсов. Такие системы имеют высокое разрешение и в то же время отсутствие взаимной интерференции и многолучевости распространения сигнала, которые присущи узкополосным передачам.

Литература

1. Peter Fuhr. Asset Tracking in Industrial Settings—A Review of Wireless Technologies.
2. http://huizen.deds.nl/~pa0hoo/helix_wifi/linkbudgetcalc/wlan_budgetcalc.html.
3. http://www.rubee.com/.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Питер Фур (Peter Fuhr), член состава руководителей ISA100.21, Apprion



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты