Исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного многоквартирного жилого дома - Способ реализации автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии на базе беспроводной технологии ZigBee

В данном пункте дипломного проекта на основании характеристик распространения, полученных из литературных источников, экспериментальных измерений, проведенных в рамках выполнения исследовательского раздела дипломного проекта, а также с учетом статистических моделей потерь, анализируются закономерности распространения электромагнитных волн диапазона 400 МГц - 10 ГГц. Характеристики распространения рассматриваются как важный критерий при выборе технологии передачи данных для канала связи.

В качестве типовой стены современного многоквартирного жилого комплекса, внутри которого развертывается беспроводная информационно - измерительная система, можно выбираем стену толщиной t = 30 см. При итоговой оценке затухания сигнала в стенах современных зданий данные будут пересчитываться к этой толщине.

Наиболее сложным препятствием при решении вопроса передачи радиосигнала в многоквартирном жилом доме, имеющем стены и другие преграды, является частотно-зависимое поглощение радиоволн в элементах строительных конструкций.

Снижение частоты, уменьшающее вклад затухания в строительных конструкциях, с целью увеличения дальности действия приемопередатчика приводит его в диапазон частот, активно используемых аппаратурой различного назначения, и поднимает вопрос электромагнитной совместимости с существующими средствами связи.

В данном дипломном проекте исследуется вопрос о величине затухания радиосигнала в различных строительных материалах.

Для того, чтобы иметь возможность сравнивать разнородные данные из различных источников и экспериментов, необходимо привести их к некоторой "типовой" стене. Анализ обобщенной модели современного здания [1] показывает, что основными материалами стен зданий являются кирпич (оштукатуренный), железобетон (с разной арматурой), дерево. Ослабление сигнала в дереве в дальнейшем, в основном, не рассматривается, так как оно существенно меньше, чем в бетоне и кирпиче.

Как следует из обобщенной модели, наиболее часто применяемые типоразмеры кирпичных стен - 380, 510, 640 мм, а железобетонных стен - 100...250 мм + до 50 мм штукатурки. Большие типоразмеры соответствуют внешним стенам зданий, меньшие - внутренним стенам.

Данные в доступных источниках, касающиеся ослабления сигнала в строительных конструкция и материалах, в основном, были получены при разработке систем связи, ставших впоследствии стандартными, т. е. они сосредоточены на соответствующих "стандартных" частотных диапазонах, таких, как 800-900 МГц или 2400 МГц.

Одним из ключевых параметров, характеризующих распространение радиосигнала в помещениях, является ослабление сигнала в строительных материалах и конструкциях. Данные по ослаблению радиосигнала сведены в Таблицу 2.1 [2-9].

Таблица 2.1 Сводные данные по ослаблению радиосигнала в стеновых материалах

В таблице приводятся сведения только для стеновых материалов, а именно бетона и кирпича. При разработке информационно - измерительной системы, будем ориентироваться именно на показатели затухания в стенах знаний, так как показатели ослабления радиоволн в таких строительных конструкциях, как окна, двери, деревянные перегородки, существенно ниже (не превышают 3-5 дБ).

Как видно из таблицы 2.1, данные в ней имеют широкий разброс значений, что вызывает сомнения в достоверности проведенных измерений. Однако после детального изучения этого вопроса удалось понять причину подобного разброса.

На рис. 2.2 приведены выборочные данные из работы [11] по погонному затуханию радиоволнв основных видах строительных материалов (бетон, кирпич и древесина) в зависимости от влажности в диапазоне частот 1-10 ГГц. Из рисунков видно, что погонное затухание во всех этих средах резко растет с увеличением влажности. (Если на этих графиках отложить значения измерений из

Таблицы 2.1, можно понять, при каких условиях были полученные эти данные.) Кроме того, наблюдается резкий рост поглощения с увеличением частоты электромагнитных волн. Этот рост хорошо заметен на рис. 3 из работы [12], полученных по программе DARPA Netex "Through-the-wall propagation and material characterization" (2002).

частотные зависимости погонного затухания радиоволн (дб/м) при различных влажностях в цементном растворе (а), кирпиче (б), древесине (в)

Рис. 2.2. Частотные зависимости погонного затухания радиоволн (дБ/м) при различных влажностях в цементном растворе (а), кирпиче (б), древесине (в)

В рамках этого исследования измерено ослабление радиосигнала на частотах от 4 до 150 ГГц в различных материалах (бумага, фанера, асфальт, полиэтилен, доска, кирпич, бетонный блок и т. д.; толщина некоторых материалов указана на рисунке).

частотные зависимости затухания в строительных материалах

Рис. 2.3. Частотные зависимости затухания в строительных материалах

Сравнение данных этого графика с данными из рис. 2.2 показывает, что на рис. 2.3 приведены данные ослабления для практически сухих материалов. Из рисунка видно, что скорость роста затухания с увеличением частоты во всех средах резко возрастает, однако в диапазоне частот до 10 ГГц этот рост можно считать равномерным. Как следует из рис. 2.2, в интересующем нас диапазоне частот до 10 ГГц ослабление радиоволн во всех представленных материалах не превышает 10 дБ, за исключением бетонного блока, затухание которое превышает 10 дБ начиная с частоты 8 ГГц.

Экспериментальное исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного дома

Говоря о характеристиках распространения сигнала в диапазоне 400 МГц - 10 ГГц в современных зданиях, следует учитывать, что эта среда с ярко выраженными многолучевыми свойствами. Поэтому на характеристики системы связи влияет не только ослабление сигнала в строительных конструкциях, но и сложная интерференционная картина, возникающая в помещении.

В качестве примера, рассмотрим исследования, проведенные с целью определения реальных характеристик дальности действия систем ZigBee [13, 14]. В статье [13] исследована работа модулей XBee (1 мВт) и XBeePro (60 мВт) в панельном железобетонном жилом доме серии П44Т. Целью эксперимента была оценка дальности связи и скорости передачи данных в реальных, в том числе многолучевых, условиях. Передавались пакеты данных по 32 бита со скоростью 9,6 Кбит/с. Использовались три антенны: антенна 1 с усилением 2,1 дБ, четвертьволновая антенна 2 и чип-антенна 3. Базовая станция отправляла пакеты на переносной модуль, который отправлял принятые пакеты обратно. В эксперименте осуществлялась оценка уровня сигнала и количество потерянных пакетов. Схема расположения модулей показана на рис. 2.4, результаты измерений приведены в Таблице 2.2.

Следует отметить, что устойчивая радиосвязь наблюдалась только в том случае, когда и базовая станция и переносные модули были представлены устройствами XBee-PRO с мощностью излучения 60 мВт. При этом расстояния между базой и всеми приемопередатчиками не превышало 13 м. Радиосвязь с переносными устройствами XBee с мощностью излучения 1 мВт была возможна только при использовании базы XBee-PRO с антенной 1 с усилением 2,1 дБ. Как следует из таблицы 2.2, при замене базового устройства на XBeeи переходе на четвертьволновую и печатную антенны, уровень сигнала падал на 9-13 дБ, поэтому связь наблюдалась только с точками 1 и 4 на расстоянии соответственно 6 и 5 м (прохождение через одну стену).

расположение модулей в помещении

Рис. 2.3. Расположение модулей в помещении

Таким образом, в условиях городской квартиры устройства ZigBee с мощностью излучения 1 мВт способны работать через железобетонную стену на расстоянии до 6 м. Если на пути сигнала стоят 2 стены, связь становится невозможна.

Таблица 2.2. Результаты измерений уровня сигнала систем ZigBee

Комбинация оборудования

Уровень сигнала от переносного модуля, расположенного в точке

База

Переносные модули

1

2

3

4

5

XBee-PRO (Ант-1)

ХВее (Ант-2)

-79

-88

-101

-69

Неисп.

ХВее (Ант-2)

ХВее (Ант-3)

-88

Нет связи

Нет связи

-82

Неисп.

Кроме того, как отмечено в статье, вследствие многолучевого распространения "... при слабом уровне сигнала (ниже -85 дБ) смещение приемника ZigBee на 2-3 см приводит к увеличению количества потерянных пакетов с 20% до 90%". Это говорит о том, что в помещении создавалась ярко выраженная мелкомасштабная интерференционная картина, и при произвольном расположении приемника и передатчика в помещении количество потерянных пакетов могло принимать любые значения в указанном интервале 20...90%.

Технология ZigBee имеет определенные достоинства, и при доработке (и выходе за пределы ограничений соответствующих стандартов) на ее основе могут быть построены требуемые средства беспроводной передачи данных.

По результатам анализа выбрана для разработки ИИС технология ZigBee, которая позволяет разрабатывать беспроводные системы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

Похожие статьи




Исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного многоквартирного жилого дома - Способ реализации автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии на базе беспроводной технологии ZigBee

Предыдущая | Следующая