Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 18 августа
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Протоколы доступа LTE E-UTRAN. Часть 2*

Статья посвящена описанию протоколов доступа на различных уровнях сети LTE. * Часть 1 опубликована в «ЭК» 11, 2011.

Протоколы доступа LTE E-UTRAN. Часть 1

Статья посвящена описанию протоколов доступа на различных уровнях сети LTE.

Область применения Wi-Fi расширяется

В статье рассказывается о разных применениях стандарта Wi-Fi — универсального беспроводного интерфейса передачи данных.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

21 февраля

Беспроводные технологии с низким энергопотреблением

В статье сравниваются наиболее популярные беспроводные технологии с низким потреблением — Bluetooth LE, ANT, ANT+, ZigBee, RF4CE, Wi-Fi, Nike+ и IrDA. Рассматриваются их особенности, преимущества и недостатки при построении систем с батарейным питанием. На основе анализа таких характеристик как энергоэффективность, радиус действия, пропускная способность, время ожидания и совместимость даются рекомендации по применению данных технологий в различных приложениях.



Б

ольшинство целевых сегментов рынка беспроводной связи характеризуется периодической передачей небольшого количества информации между датчиком и центральным устройством. Среди приложений, в которых требуется реализовать такой сценарий применения беспроводной связи, можно отметить бытовые приборы, устройства автоматики, дистанционное управление, человеко-машинные интерфейсы (HID), интеллектуальные счетчики, платежные системы и многие другие. Все эти приложения должны отвечать следующим требованиям: сверхмалое энергопотребление, низкая стоимость и компактные размеры.
Требование ультранизкого потребления объясняется главным образом тем, что системы должны работать длительное время от батарей или устройств аккумулирования энергии. Например, если в торговом центре в каждом магазине установить радиомаяк, батарею которого нужно довольно часто менять, то стоимость технического обслуживания этой системы может свести к нулю преимущества использования беспроводной технологии.
Рассмотрим особенности беспроводных технологий с низким потреблением и предоставим читателю возможность решить, какая технология лучше всего подходит для разработки того или иного продукта.

Bluetooth LE

Эта технология была принята специальной группой пользователей Bluetooth в 2007 г. и вначале получила название Bluetooth Ultra-Low-Power, а затем Bluetooth Low Energy. Цель разработки данной технологии заключалась в том, чтобы обеспечить устройствам с ограниченным ресурсом питания постоянное подключение к интернету. Как правило, датчики Bluetooth LE работают в течение многих лет без необходимости замены батарей. Обычно они используют плоские круглые батареи, например, популярные CR2032.
Сеть Bluetooth LE известна также как Bluetooth v4.0 и является частью общедоступной спецификации Bluetooth. Устройства Bluetooth v4.0 не всегда могут поддерживать другие версии Bluetooth. Однако большинство чипсетов Bluetooth от ведущих производителей поддерживают функциональность как Bluetooth, так и Bluetooth LE.

ANT

Это фирменная беспроводная технология с низким потреблением, которая работает в диапазоне 2,4 ГГц. Она была создана в 2004 г. компаний Dyna­stream. Обычно ANT-трансивер рас­смат­ривается как черный ящик, и для реализации сети не требуется значительных усилий. Главным назначением этой технологии является установление связи между датчиками. Устройства ANT обычно работают от плоской батареи. Технология ANT+ использует протокол ANT и обеспечивает функциональную совместимость устройств в управляемой сети, что позволяет объединять все устройства ANT+ в сети. Подобно Bluetooth LE устройства ANT могут работать от плоской круглой батарейки годами.
Устройства ANT не подлежат испытаниям на функциональную совместимость, которые проводятся для других стандартных технологий.

ZigBee

ZigBee — беспроводная спецификация с низким потреблением на базе стандарта IEEE 802.15.4-2003. Она обеспечивает ячеистую беспроводную сеть с малым потреблением и предназначена для таких приложений как интеллектуальные счетчики, системы домашней автоматики и дистанционного управления. К сожалению, сложность и высокая потребляемая мощность ZigBee не позволяют использовать эту технологию в необслуживаемых устройствах, которые должны работать в течение длительного времени от батарейного питания. Каналы ZigBee, подобно Bluetooth LE, имеют полосу  МГц. Однако они разделены 5-МГц промежутком, что несколько ограничивает спектр. В ZigBee не используется технология перескока частоты, поэтому требуется тщательное планирование сети в процессе развертывания, чтобы гарантировать отсутствие поблизости сигналов помех.

RF4CE

Технология Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE) основана на ZigBee и стандартизирована в 2009 г. четырьмя компаниями-производителями потребительской электроники: Sony, Philips, Panasonic и Samsung. RF4CE поддерживают также два поставщика полупроводников: Texas Instruments и Freescale Semiconductor. Технология RF4CE предназначена для дистанционного управления потребительскими устройствами, например, телеприставками. Целью разработки RF4CE являлась попытка преодоления общих проблем ИК-управления: функциональная совместимость устройств, необходимость работы в прямой видимости и ограниченные функции управления.

Wi-Fi

Недавно в стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) был введен ряд усовершенствований, которые позволили снизить мощность потребления, был выпущен стандарт IEEE 802.11v и другие стандарты. Хотя Wi-Fi является весьма эффективной беспроводной технологией, она оптимизирована для передачи большого объема данных с высокой скоростью и в действительности не подходит для работы от батарейного питания. Некоторые компании пытаются внедрить Wi-Fi в устройства индикации показаний приборов на ветровом стекле автомобиля. Однако для этого требуется специальный программный драйвер, и функциональность таких устройств ограничена.

Nike+

Эта фирменная беспроводная технология, разработанная компаниями Nike и Apple, позволяет контролировать уровень физической активности человека во время тренировки. Nike+ потребляет сравнительно большую энергию, в результате чего длительность работы таких устройств от плоского круглого аккумулятора составляет всего 41 день. Не будучи стандартизованной технологией, она работает только между устройствами Nike и Apple. Устройства с поддержкой Nike+ поставляются как отдельные блоки: процессор, радиомодуль и датчик.

IrDA

В ассоциацию Infrared Data Asso­cia­tion (IrDA) входит 36 членов. IrDA недавно анонсировала новую версию с ультравысокой скоростью передачи — до 1 Гбит/с. Однако она работает только на расстояние до 10 см. Одной из основных проблем, связанной с ИК-передачей, является необходимость прямой видимости приемника и передатчика, что призвана преодолеть технология RF4CE. Энергоэффективность IrDA не слишком велика, если сравнивать ее с технологиями на основе радиосвязи. В силу своей природы это, как минимум, двухкомпонентное решение, в котором требуется процессор и приемопередатчик.

NFC

Стандарт ближней радиосвязи (Near Field Communication — NFC) работает на расстоянии всего до 5 см при довольно высоком энергопотреблении. Пассивные метки NFC могут совсем не иметь питания, становясь активными только в поле NFC. Это исключает NFC из сценариев использования, которые обсуждаются в данной статье. NFC обычно используют совместно с другими технологиями.

Сетевые топологии

Существует пять основных топологий беспроводной сети с низким потреблением.
Широковещательная сеть. Сооб­щение передается устройством в сеть и принимается приемником в пределах досягаемости. Передатчик не принимает сигналы.
Ячеистая сеть. Сообщение может быть ретранслировано из одной точки сети с любую другую точку сети путем перемещения через множество узлов.
Сеть типа «звезда». Центральное устройство может устанавливать связь с рядом устройств. Наиболее распространенным примером является сеть Bluetooth.
Сканирующая сеть. Сканирующее устройство всегда находится в режиме приема, ожидая захвата сигнала от какого-либо передатчика в пределах досягаемости.
Двухточечная сеть. В данном режиме устанавливается соединение только между двумя устройствам, подобно обычному телефонному соединению.
В таблице 1 показано, какие сетевые топологии поддерживает та или иная беспроводная технология.

 

Таблица 1. Сетевые топологии, поддерживаемые беспроводными технологиями

Сетевая топология

Беспроводная технология

Bluetooth LE

ANT

ANT+

ZigBee

RF4CE

Wi-Fi

Nike+

IrDA

NFC

Широ­ко­ве­ща­тель­ная сеть

1

 1

-

-

-

-

-

-

Ячеистая сеть

2

-

-

-

-

Сеть типа «звезда»

-

-

-

Сканирующая сеть

3

-

-

-

Двухточечная сеть

Примечания:
1 Требуется не только трансляция, но и прием.
2 В приложении можно использовать Bluetooth LE, чтобы образовать ячеистую сеть.
3 Все соединения закрываются, энергопотребление возрастает.

 

Сложности реализация приложений на базе разных беспроводных технологий

Исходя из требований к программному и аппаратному обеспечению, можно оценить объем работ по реализации простого коммуникационного приложения на основе той или иной беспроводной технологии.
Чипсеты Bluetooth LE поставляются в двух конфигурациях: однорежимные и двухрежимные (Bluetooth + Bluetooth LE). Однорежимные конфигурации поставляются в виде отдельного чипа, который содержит хост-процессор и радиомодуль. Стек протоколов интегрирован в кристалл и обеспечивает простой интерфейс прикладного программирования для разработчика. В результате от разработчика не требуются значительные усилия при создании нового продукта. Однорежимные устройства Bluetooth LE часто поставляются как предварительно сертифицированные блоки. Это означает, что OEM-производителям не нужно тратить ресурсы на определение соответствия новых продуктов установленным требованиям. Если разработчик решит существенно отклониться от исходного проекта, то можно выполнить тестирование отдельных функций.
Двухрежимные чипсеты Bluetooth содержат хост-процессор. Произ­во­ди­те­ли кристаллов обычно поставляют стек протоколов, которые исполняются на хост-процессоре и обеспечивают простой интерфейс прикладного программирования для доступа к Bluetooth и Bluetooth LE. Двухрежимные чипсеты Bluetooth могут также содержать собственный прикладной процессор. Такие устройства имеют стек протоколов, записанный в ПЗУ. Такие типы чипов часто встречаются в потребительской электронике, например, в наушниках.
RF4CE также является простой для реализации технологией, но требует, чтобы стек протоколов объемом приблизительно 64 Кбайт был портирован на хост-процессор. Некоторые чипы RF4CE содержат прикладной процессор, который может упростить требуемое аппаратное обеспечение.
ANT часто является двухчиповым решением. Предполагается, что разработчики должны выбрать, какой радиомодуль и хост-процессор использовать. Чипы SensRcore представляют собой энергоэффективное одночиповое решение, но они обычно подходят только для сенсорной стороны канала связи и требуют фирменного скриптового языка. На рынке имеются комплекты разработки для ANT, которые поставляются вместе с различными модулями, что упрощает задачу разработчика.
IrDA имеет несколько простых протоколов, которые можно найти в обычном микропроцессоре. Кроме микропроцессора требуются светодиод и приемник. Сложность возрастает, когда необходимо обеспечить более высокую скорость передачи, поскольку требуется полный стек протоколов IrDA и мощный процессор. Дополнительным требованием для конечных продуктов, использующих ИК-связь, является наличие пластиковых окон для ИК-приема и передачи. Они должны обеспечивать интенсивность ИК-спектра в пределах спецификации. Сертификация IrDA-устройств обязательна, и ее нужно производить в авторизованной тестовой лаборатории IrDA.
Интегрирование NFC недавно было упрощено с выпуском стека протоколов c открытым исходным кодом от Inside Contactless. При реализации NFC в системе могут возникнуть некоторые сложности с портированием и проектированием антенны. NFC требует, по крайней мере, два чипа (радиомодуля и процессора) и источник питания. Для NFC сертификация не обязательна, но следует провести стандартные измерения радиоизлучения, чтобы убедиться в том, что оно остается в пределах 13,56-МГц полосы частот. Была принята новая программа сертификации, которая обеспечивает производителям возможность подтверждать, что их устройства полностью функционально совместимы.
Возможно, Wi-Fi является наиболее сложной технологией для интегрирования в систему. Она требует различных драйверов и полный стек протоколов. Необходимо также, чтобы аппаратные средства были спроектированы с жесткими допусками, чтобы гарантировать соблюдение спе­ци­фицированных характеристик. Сертификационный процесс не обязателен. Однако логотип Wi-Fi нельзя получить без сертификации устройства. Затраты на сертификацию велики, по сравнению с другими технологиями, из-за большого количества требуемых испытаний в специальном испытательном центре. Большинство из энергосберегающих функций стандарта находится в стадии разработки или не используется в массовом производстве, что увеличивает время выхода на рынок усовершенствованных устройств.

Стоимость реализации устройств с низким потреблением на базе беспроводной технологии

Главными статьями затрат при создании системы с низкопотребляющими датчиками являются процессор, радиомодуль, антенна, батарея, батарейный разъем, датчик, стабилизатор и печатня плата. В таблице 2 представлена типовая стоимость этих компонентов для различных беспроводных технологий. При этом предполагается, что во всех случаях используются одинаковые батарея, батарейный разъем и датчик, поэтому их стоимость не учитывается.

 

Таблица 2. Примерная стоимость компонентов различных беспроводных технологий.

Беспро­вод­ная техноло­гия

Стоимость компонентов системы

Про­цес­сор

Радиомодуль, долл.

Антенна, мм

Стаби­ли­затор

Размер печатной платы, мм2

Bluetooth LE

н/д

2,95 (в партии 1 тыс. шт.)

печатная, 8 мм 2

н/д

20

ANT

низкая

3,95 (в партии 10 тыс. шт.)

печатная, F-типа, 15 мм

н/д

125

ANT +

н/д

3,33 (в партии 1 тыс. шт.)

печатная, F-типа, 15 мм

н/д

306

ZigBee

н/д

3,20 (в партии 1 тыс. шт.)

печатная, F-типа, 15 мм

н/д

305

RF4CE

н/д

2,75 (в партии 1 тыс. шт.)

печатная, F-типа, 15 мм

н/д

305

Wi-Fi

высокая

3 долл.

печатная, 8 мм 2

1,50 долл.

60

Nike+

низкая

1,60 (в партии 10 тыс. шт.)

металл., 2 см

н/д

300

IrDA

н/д

1,97 (в партии 10 тыс. шт.)

8 мм

н/д

21 + центр. процессор

NFC

высокая

1 долл.

50 мм×30 мм

0,33 долл.

100

Примечания:
1 При использовании, как части системы Bluetooth, стоимость уменьшается на 20%.
2 С чипами CSR можно использовать патентованную антенну от CSR.


Кварцевые резонаторы также вносят значительный вклад в стоимость устройств с компактными датчиками. В беспроводных технологиях часто требуется высококачественный кварцевый резонатор, чтобы удовлетворить жесткие нормативные требования. Типовые допуски на точность поддержания частоты кварцевых резонаторов представлены в таблице 3.

 

Таблица 3. Допуски по частоте кварцевых резонаторов, используемых в беспроводных технологиях

Беспроводная технология

Допуск по частоте для кварцевых резонаторов, ppm 1

NFC

500

Bluetooth LE

250

Nike+

60

ANT

50

RF4CE

40

Примечание:
1 NFC обеспечивает синхронизацию данных, кварцевый резонатор нужен только для поддержания заданной полосы частот радиомодуля.

 

Энергоэффективность

Вопросы энергоэффективности актуальны для тех заказчиков, которые заинтересованы в увеличении срока службы батарей и вместе с тем — в высоком уровне обслуживания пользователей. Например, когда в мобильном телефоне требуется синхронизировать электронную почту, у аккумулятора телефона должен оставаться достаточный заряд, необходимый для загрузки и чтения сообщений.
Какая беспроводная технология, используемая в телефоне, была бы наиболее эффективной — Wi-Fi или сотовая связь? Подобные вопросы могут возникать и для систем с удаленными датчиками. Оценим удельную мощность (мощность на бит данных), потребляемую беспроводными устройствами, использующими различные технологии.

ANT

Устройства ANT сконфигурированы для передачи данных со скоростью 32 байт/с и потребляют ток 61 мкА.
– Байт содержит 8 бит, следовательно, пропускная способность 32×8 = 256 бит/с.
– Мощность = VI = 3 В×61 мкА = = 0,183 мВт.
– Мощность на бит = 0,183 мВт/256 бит = 0,71 мкВт/бит.

Bluetooth LE

Пакет объявления транслируется каждые 500 мс. Каждый пакет имеет 20 байт полезной информации и потребляет ток 49 мкА при 3 В. В этом случае пакеты распределяются по трем каналам, что улучшает надежность по сравнению с одноканальным методом.
– Потребляемая мощность = 49 мкА×3 В = 0,147 мВт.
– Число байт в секунду = 20×(1 с/500 мс)×3 канала = 120 байт/с.
– Число бит в секунду = 120 байт/с × 8 = 960 бит/с.
– Мощность на бит = 0,147 мВт/960 = = 0,153 мкВт/бит.
Следует отметить, что устройство, передающее пакет объявления, продолжает сканировать сеть после каждой трансляции. Это увеличивает рассеиваемую мощность, но все же она меньше, чем у конкурирующих технологий. При увеличении полезной информации до 31 байта на пакет и при широковещательной рассылке, энергоэффективность в расчете на бит может быть еще улучшена.

IrDA

Пульт дистанционного управления телевизора посылает полезные данные длиной 14 бит. Для этого используется процессор с ультранизким потреблением (ток потребления 0,1 мкА в дежурном режиме), которым можно пренебречь в данном расчете. При транзакции в течение 1,5 мс, ток потребления составляет 170 мкА, а затем в течение 114 мс — 55 мкА.
– Мощность = 0,163 мВт.
– Число бит = 14.
– Мощность на бит = 0,163 мВт/14 бит = 11,7 мкВт/бит.

Nike+

Устройство Nike+ работает в течение 1000 ч и передает информацию каждую секунду. Полезные данные содержатся в 34 битах. Емкость типовой батареи типа CR2032 составляет 225 мА•ч.
– Ток потребления = 225 мА•ч /1000 ч = 0,225 мА.
– Мощность = 3•0,225 мА = 0,675 мВт.
– Пропускная способность = 34•8 = = 272 бит/с.
– Мощность на бит = 0,675 мВт/272 = = 2,48 мкВт/бит.

Wi-Fi

Wi-Fi потребляет приблизительно 116 мА при 1,8 В при передаче данных по протоколу UDP со скоростью 40 Мбит/с. К сожалению, в чипсете Wi-Fi потребление тока не снижается при уменьшении скорости передачи.
– Мощность = 116 мА•1,8 В = 0,210 Вт
– Мощность на бит = 0,210/40000000 = = 0,00525 мкВт/бит

Zigbee

Устройство Zigbee потребляет 0,035706 Вт при передаче 24-х байт данных.
– Биты в секунду = 24×8 = 192 бита.
– Мощность на бит = 0,035706/192 = 185,9 мкВт/бит.
Из приведенных выше вычислений видно, что Wi-Fi — наиболее энергоэффективная технология, которая идеально подходила бы для загрузки крупных файлов. К сожалению, пиковое потребление тока в сети Wi-Fi значительно превосходит возможности плоского круглого аккумулятора и требует применения более емкой батареи. В настоящее время проводятся разработки, направленные на снижение энергопотребления, что позволит использовать Wi-Fi с HID-устройствами. На современном этапе необходимы фирменные драйверы, которые используются только с персональными компьютерами, где бюджет мощности приемника выше.
На втором месте по энергоэффективности — Bluetooth LE, которая требует примерно в четыре раза меньше мощности, чем ее ближайший соперник — ANT.

Радиус действия

Часто полагают, что радиус действия беспроводной связи пропорционален чувствительности приемника и мощности передатчика. До известной степени это соответствует действительности. Однако существует множество других факторов, влияющих на реальный радиус действия беспроводного устройства — окружающая среда, частота несущей, топология схемы, механическая конструкция и система кодирования. Для сенсорных приложений радиус действия может быть одним из важнейших факторов. Обычно радиус действия устанавливается для идеальной среды, но устройства часто работают в перегруженном спектре частот и в условиях экранирования. Считается, например, что радиус действия Bluetooth равен 10 м, но могут возникнуть трудности с надежной передачей A2DP-потока из плеера, находящегося в кармане человека, в наушники из-за экранирующего эффекта тела человека. Схожие проблемы могут возникнуть при занятиях в спортзале, когда у непрерывно двигающихся людей на теле закреплены соответствующие гаджеты. Следует отметить, что частота 2,4 ГГц легко ослабляется человеческим телом.
В таблице 4 приведены типовые радиусы действия различных беспроводных устройств с низким потреблением в условиях открытого пространства.

 

Таблица 4. Радиусы действия устройств с низким по­треб­лением различных беспроводных технологий

Беспроводная технология

Радиус действия

NFC

5 см

IrDA

10 см

Nike+

10 м

ANT(+)

30 м

ZigBee

100 м

RF4CE (на базе ZigBee)

100 м

Wi-Fi

150 м

Bluetooth LE

280 м

 

Надежность сетей

Надежная передача пакета напрямую влияет на срок службы батарей и взаимодействие с пользователем. Если пакет данных нельзя доставить в приемное устройство из-за искажения среды передачи, случайного влияния расположенного поблизости радиомодуля или преднамеренных частотных помех, то передатчик будет пытаться отправить пакет до тех пор, пока он не будет успешно доставлен. Это происходит за счет уменьшения срока службы батареи. Если беспроводная система использует один канал, то ее надежность может ухудшиться в перегруженной среде.
Испытанным методом, помогающим ослабить помехи, является использование переключения каналов, которое реализовано в Bluetooth. Этот метод перешел и в Bluetooth LE. Устройства Bluetooth используют адаптивное переключение частоты (Adaptive Frequency Hopping — AFH), которое позволяет каждому узлу исключать из доступного списка перегруженные области спектра, чтобы избегать их в будущих транзакциях.
Сеть ANT специфицирована для работы в восьми каналах. Однако часто только чипсеты узлов датчиков работают в отдельном канале. ANT использует систему мультиплексирования с разделением времени (TDM), которая увеличивает надежность. Кроме того, в сети ANT используется метод, который называется «пакетная передача». Этот метод активно использует доступный спектр и позволяет использовать для передачи свободный канал.
ZigBee PR реализует метод, известный как быстрая перестройка частоты (не переключение). Сетевой узел сможет искать свободный диапазон и оповещать согласующее устройство ZigBee о том, что новый канал может быть использован в пределах сети. Однако нужно иметь в виду, что в условиях сильных помех не всегда есть возможность передать информацию о переходе на другой канал.

Пропускная способность

Для предполагаемых сценариев использования датчиков в беспроводной сети вероятность того, что понадобится сверхвысокая скорость передачи данных, невелика. В таблице 5 представлены сведения о скорости передачи полезных данных различными беспроводными технологиями.

 

Таблица 5. Скорость передачи данных для различных беспроводных технологий

Беспроводная технология

Скорость передачи данных

IrDA

1 Гбит/с

Wi-Fi (режим наименьшей

мощности по 802.11b)

6 Мбит/с

NFC

424 Кбит/с

Bluetooth LE

305 Кбит/с

ZigBee

100 Кбит/с

RF4CE

100 Кбит/с

ANT +

20 Кбит/с

Nike+

272 бит/с

 

Время ожидания

Время ожидания беспроводной системы можно определить во времени реакции системы на действия. Примером малого времени ожидания может быть проведение игры, когда пользователь нажимает на кнопку на контроллере, а эффект от этого воспринимается как мгновенный. Недопустимо, когда пользователь нажимает на кнопку и должен ждать, когда появится маркер. Время ожидания также критично в таких приложениях как HID-устройства (мышь и клавиатура), спорт и фитнес (немедленное измерение показателей физического состояния) и системы безопасности.
В таблице 6 приведены типовые значения времени ожидания для низкопотребляющих беспроводных технологий. Хотя ANT и Wi-Fi имеют достаточно малую задержку, они требуют, чтобы приемное устройство непрерывно работало и, следовательно, потребляло много энергии. На практике получается, что малое время ожидания часто достигается только для устройств, которые не имеют ограниченного ресурса энергии.

 

Таблица 6. Время ожидания для низкопотребляющих беспроводных технологий

Беспроводная технология

Время ожидания

ANT

~0

Wi-Fi

~1,5 мс

Bluetooth LE

~2,5 мс

ZigBee

~20 мс

IrDA

~25 мс

NFC

опрос производится
каждую секунду

Nike+

~1 с


Пиковое энергопотребление

Пиковое энергопотребление является критичным показателем при проектировании низкопотребляющих устройств с длительным сроком эксплуатации. Главная причина в том, что определенные типы батарей не способны мгновенно выдерживать высокий ток. Плоские круглые аккумуляторы типа CR2032  — это самый популярный выбор для сенсорных устройств с длительным сроком службы. Однако они способны обеспечивать пиковый ток всего 15 мА. Если пиковый ток превышает 15 мА, срок службы этой батареи может уменьшиться. Требуемые пиковые значения тока в 30 мА снижают емкость батареи примерно на 10% от заявленных производителем значений. Типичной допустимой непрерывной нагрузкой является ток 2 мА и менее, что обеспечивает заданную величину емкости.
Другими возможными источниками энергии могут быть устройства аккумулирования энергии. Солнечные батареи — хорошо известный пример устройства аккумулирования энергии, но они характеризуются низкой эффективностью преобразования света в электроэнергию. Аморфные солнечные батареи размером, аналогичным элементу CR2032 (3 см2), обеспечивают 1,5 В•8 мкА = 12 мкВт. При таком небольшом количестве доступной мощности критически важным является выбор радиосистемы, которая не требует высокого тока.
В таблице 7 приводится типовые значения пиковой потребляемой мощности для беспроводных технологий, которые могут работать от плоских батарей типа CR2032.

 

Таблица 7. Пиковое энергопотребление беспроводных технологий

Беспроводная технология

Пиковый ток
потребления, мА

IrDA

10,2

Nike+

12,3

Bluetooth LE

12,5

ANT

17 (элемент типа CR2032 подходит)

RF4CE

40

NFC

50

Wi-Fi

116 (при 1,8 В)

 

Совместимость

Совместимость представляет собой способность устройств работать при наличии поблизости других источников радиосигналов. Стандартным подходом к обеспечению совместимости для Bluetooth и Wi-Fi является использование схемы сигнализации между двумя микросхемами, которая информирует каждую микросхему, когда ее радиомодуль освобождается для передачи/приема. В данной статье мы рассмотрим активную и пассивную схему обеспечения совместимости, причем пассивная схема — это система предотвращения помех, а активная — это сигнализация между чипами.
Bluetooth LE использует существующие функции, доступные в схемах обеспечения совместимости Bluetooth и Wi-Fi. Bluetooth LE также реализует пассивные схемы предотвращения помех. Так, адаптивное переключение частоты может быть использовано для того, чтобы избегать каналов, где обнаружены помехи. Каналы оповещения Bluetooth LE также специально выбираются в той области ISM-диапазона (2,4 ГГц), которая наименее загружена.
В Wi-Fi реализована активная технология обеспечения совместимости, когда Wi-Fi интегрируется в устройстве, содержащем Bluetooth, а также механизм уменьшения скорости передачи данных, когда обнаруживаются помехи от расположенной поблизости радиосистемы.
В IrDA не применяется какая-либо технология обеспечения совместимости. Однако, по всей видимости, на ИК-связь влияет только яркое фоновое освещение. Положительный эффект от малого радиуса действия и необходимости прямой видимости этого вида связи заключается в том, что вероятность влияния ИК-устройств друг на друга весьма мала.
В NFC реализована схема обеспечения совместимости, когда считывающее устройство способно распознать специальную метку из множества NFC-карт. NFC напоминает ИК-связь тем, что ее радиус действия весьма мал и низка вероятность взаимодействия с другими NFC-устройствами. Стоит отметить, что диапазон 13,56 МГц имеет гармоники в FM-диапазоне, которые особенно сильны на частотах 81,3 и 94,9 МГц. Это может вызывать помехи в виде щелчков в близкорасположенном FM-приемнике. Однако эффект FM-помех в наушниках может быть снижен с помощью введения временной задержки.
ANT-устройства обычно работают по одному каналу, 8-канальные чипсеты доступны, но реализованы только в концентраторах. Поскольку датчики работают только в одном канале, это ограничивает любые виды перестройки частоты. ANT+ — это одночастотная система, где каждый датчик передает сигналы на одной определенной радиочастоте. ANT реализует систему множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA), которая детектирует постоянные источники помех и информирует удаленные устройства о смещении синхронизации. Если используемый канал полностью занят, сеть ANT не имеет возможности перейти в свободную часть спектра, что может прервать передачу данных. Проблемы в работе ANT-сети могут также вызывать мобильные телефоны или Wi-Fi.
В ZigBee не реализована схема обеспечения совместимости, но в ней нет возможности непрерывно прослушивать каналы. Если канал интенсивно используется, пропускная способность и время ожидания ZigBee ухудшаются, и в конечном итоге возникают перебои в работе. ZigBee PRO имеет функцию быстрой перестройки частоты, когда имеется возможность поиска свободного канала (из 16 определенных каналов) с последующей переустановкой сети. Размещение узла ZigBee в непосредственной близости от широкополосного (Wi-Fi) устройства вызывает серьезные проблемы в работе сети ZigBee.
На рисунках 1 и 2 показан частотный спектр Bluetooth LE и ZigBee. Каждый канал имеет ширину 2 МГц, но интервал и размещение каналов ZigBee предполагают, что только четыре канала должны быть свободны при средних установках сети Wi-Fi. Обычно каналы 1, 6 и 11 установлены по умолчанию. При скорости сигнальных данных в эфире всего 250 Кбит/с и невозможности переключения каналов в сети ZigBee возникает риск недоставки пакетов. Bluetooth LE намного более эффективно использует спектр и адаптивное переключение частоты.

 

Рис. 1. Расположение частотных каналов Bluetooth LE (ширина каждого канала 2 МГц без потери спектра)

 

Рис. 2. Расположение частотных каналов ZigBee (ширина каждого канала 2 МГц с интервалом 5 МГц), которые расходуются бесполезно

 

Продолжительность работы батареи

Как было сказано выше, наиболее предпочтительным выбором для удаленных датчиков является литиевая плоская батарея. Эти элементы питания обычно используются в наручных часах и спортивных аксессуарах из-за невысокой стоимости, компактного размера и малого веса. Литиевые батареи очень чувствительны к величине требуемого тока. Если с ними обращаться правильно, они имеют достаточно высокую емкость по отношению к своим физическим размерам.
Срок службы батарей данного типа можно оценить двумя путями. Зная количество энергии, которая требуется для передачи полезной информации с помощью данной беспроводной технологии, можно определить объем данных, который сенсор передает на одном заряде батареи. Как вариант, можно оценить среднюю потребляемую мощность во время работы сенсора.
На сайте ANT можно найти калькулятор для оценки потребляемого тока. Для примера рассмотрим сценарий, когда весьма эффективный чипсет (AT3) пересылает 120 байт/с. Каждая страница в ANT имеет длину 8 байт, поэтому для ее передачи требуется 120/8 = 15 Гц, чтобы обеспечить пропускную способность 120 байт/с. Устройство работает непрерывно от батареи емкостью 225 мА•ч. Средний ток равен 175,5 мкА, поэтому батарея будет работать 52,64 дня.
 Чтобы достичь ту же скорость в 120 бит/с, Bluetooth LE потребляет ток 49 мкА (как было определено выше). Батарея емкостью 225 мА•ч поддерживала бы такой ток в течение 225 мА•ч/49 мкА = 4592 ч = 191 день.
Устройства Nike+ специфицированы для работы в течение 1000 ч или 42 дня. Следует отметить, что скорость передачи данных зафиксирована на уровне 34 байта/с. В реальных условиях скорость работы будет намного меньше, в результате чего срок службы батареи будет исчисляться годами.

Заключение

Приведенный в статье анализ показал, что ряд беспроводных технологий конкурирует за один и тот же сектор рынка. В таблице 8 приведены примеры приложений, построенных на базе различных беспроводных технологий.

 

Таблица 8. Целевые рыночные сегменты беспроводных технологий с малым энергопотреблением

Пример приложения

Беспроводная технология

Bluetooth LE

ANT

ANT+

RF4CE

ZigBee

Wi-Fi

Nike+

IrDA

NFC

Дистанционное управление

-

-

-

-

-

Системы безопасности

-

-

-

Спорт и фитнес

-

-

-

-

-

Интеллектуальные счетчики

-

-

-

-

-

-

Сотовые телефоны

-

-

-

-

Автомобильные системы

-

-

-

-

-

-

Измерение частоты пульса

-

-

-

-

-

-

-

Измерение содержания сахара в крови

-

-

-

-

-

-

-

Определение местоположения

-

-

-

-

-

-

Сопровождение товаров

-

-

-

-

-

-

Системы оплаты

-

-

-

-

-

-

-

-

Игровые системы

-

-

-

-

-

-

-

Беспроводные ключи для систем охраны

-

-

-

-

-

3D-телевидение

-

-

-

-

-

-

-

Интеллектуальные приложения

-

-

-

-

-

-

-

Интеллектуальные транспортные системы

-

-

-

-

-

Персональные компьютеры

-

-

-

-

-

Телевизоры

-

-

-

-

-

Метки для поиска животных

-

-

-

-

-

-

Системы помощи на дому

-

-

-

-

-

 

ANT уже вышла на массовый рынок и начала позиционировать себя как технология для спорта и фитнеса. Однако на текущий момент продано всего 15 млн чипов по данной технологии, которая была интегрирована только в три модели мобильных телефонов. Несмотря на это ANT предпринимает попытку занять свою нишу на рынке.
Bluetooth LE является ближайшим конкурентом ANT и будет состязаться на тех же рынках, обеспечивая производителям мобильных телефонов выход к более крупной экосистеме. Кроме того, Bluetooth LE обеспечивает одну из лучших величин потребляемой мощности на бит данных для технологий личного пространства, уступая по этому показателю только Wi-Fi.
Wi-Fi обычно используется для передачи массового трафика с высокой скоростью. В настоящее время выполняются разработки, которые позволят использовать Wi-Fi в HID-устройствах. На современном этапе чипсеты для HID-устройств на базе Wi-Fi не являются универсальными и требуют установки специальных драйверов на компьютеры под управлением Windows 7. Кроме того, чтобы минимизировать время ожидания, такие системы потребляют много мощности.
ZigBee и RF4CE являются аналогичными и сравнительно энергоемкими технологиями.
NFC нельзя рассматривать как сильного конкурента для большинства малопотребляющих беспроводных технологий. Это связь короткого радиуса действия (~5 см), которая идеально подходит для приложений, где требуется непосредственный контакт устройств.
Стоимость реализации канала ИК-передачи весьма низкая, и в ближайшее время данная технология может оставаться приемлемым решением для бюджетных телевизоров. Технология ИК-связи постепенно заменяется технологиями на базе радиосвязи, не требующими прямой видимости устройств. Это также сравнительно энергоемкая технология. При переходе на радиосвязь стоимость эксплуатации традиционных ИК-устройств будет значительно снижена.

Литература

1. Phil Smith. Comparing Low-Power Wireless Technologies//www.digikey.com.
2. Gary Legg. ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks//www.eetimes.com.
3. Janine Love. Ultra-low-power wireless makes inroads into many applications//www.edn.com.
4. Chiara Buratti. An Overview on Wireless Sensor Networks Technology and Evolution//www.mdpi.com.



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

Автор: Сергей Романов



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты