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).
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).
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).
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
-
Информационно - измерительные системы: структура и состав Постоянное совершенствование и развитие средств измерений необходимо для промышленного...
-
Перспективной областью применения стандарта Zigbee являются беспроводные системы считывания показаний различных счетчиков. Данный сегмент рынка крайне...
-
Для реализации ИИС контроля расхода энергоресурсов проведем анализ характеристик существующих беспроводных технологий передачи данных. Наиболее...
-
В дипломном проекте разработана и подробно описана беспроводная информационно - измерительная система учета энергоресурсов. Внедрение данной БИИС учета...
-
В состав беспроводных информационно - измерительных систем (БИИС) входят устройства трех видов: интеллектуальные датчики (ИД) и их кластеры и центральный...
-
Экономить можно то, что учтено. Сегодня нет масштабной федеральной программы совершенствования учета. До сих пор большинство потребителей пользуется...
-
ЖКХ в настоящее время является одной из областей жизни российских граждан, в которой происходят кардинальные преобразования на основе современных...
-
Перед началом непосредственного использования программы "Сервер опроса", следует создать рабочую конфигурацию сервера с помощью программы - конфигуратора...
-
Статический однофазный счетчик активной и реактивной электрической энергии ST 1000-6 Статические однофазные счетчики активной и реактивной электрической...
-
Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста...
-
Основные требования и характеристики современных и применение технических средств АИС Автоматизированная информационная система (АИС) представляет собой...
-
Данная система состоит из 4 подсистем: - подсистема "Учет данных"; - подсистема "Формирование документов"; - подсистема "Контроль"; - подсистема...
-
Автоматизированные системы научных исследований - Теоретические основы информационных технологий
Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) представляют собой программно-аппаратные комплексы, обрабатывающие данные, поступающие от...
-
Для написания АИС использовались следующие языки программирования, программные средства и библиотеки: - Язык программирования PHP 5.4; -...
-
Обоснование выбора средств разработки проекта Для реализации корпоративной информационной системы "Бюджетное планирование и отчетность" в исследуемой...
-
Известно, что схемы процессов являются основой для настройки процесса в информационных системах. Схемы процессов легли в основу настройки процесса...
-
1 Характеристика технологий xDSL - Разработка корпоративной сети на основе технологий xDSL
HDSL (High-bit-rate DSL) , или технология высокоскоростной цифровой абонентской линии, - это первенец семейства xDSL, разработанный в конце 80-х гг....
-
Выбор средств реализации информационной системы Названные в параграфе 1.4. настоящей работы задачи могут быть решены тремя типами средств автоматизации:...
-
Способы обработки данных - Автоматизированные системы обработки экономической информации
Различаются следующие способы обработки данных: централизованная, децентрализованная, распределенная и интегрированная. Централизованная предполагает...
-
В качестве предметной области для дипломного проекта была выбрана организация МКДОУ детский сад №85 "Почемучка". Описание и основные виды деятельности...
-
По результатам данного исследования необходимо выявить недостатки и ограничения существующих технологий интеграции. Для проведения исследования...
-
Наиболее распространенная форма - ЭВМ. Раньше чаще использовались вычислительные центры (ВЦ). Вычислительный центр - организуется и специализируется на...
-
Реализация с помощью средств быстрой разработки DbForge Studio for SQL Server -- среда разработки для БД SQL Server, создания отчетов по данным, их...
-
Краткая характеристика Microsoft Access. Microsoft Access является настольной СУБД (система управления базами данных) реляционного типа. Достоинством...
-
Воспользуемся теперь критерием (2.14). Пространство состояний Структурная схема системы с учетом введенного воздействия примет вид: Запишем...
-
В ходе разработки было создано пять форм, обеспечивающих взаимодействие между пользователем и приложением: - начальное окно выбора учебного года, курса и...
-
При работе над проектом разрабатывались два основных компонента системы: база данных (далее - БД) и интерфейс клиентского приложения. Затем необходимо...
-
Как известно , необходимость интеграции нескольких информационных систем как внутри одной организации (системы являются подсистемами к историчной...
-
Физическая модель базы данных определяет способ размещения данных в среде хранения и способ доступа к этим данным, которые поддерживаются на физическом...
-
Математическое и программное обеспечение (МО, ПО)- совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач...
-
Табличный процессор Excel фирмы Microsoft предназначен для ввода, хранения, обработки и выдачи больших объемов, данных в виде, удобном для анализа и...
-
Для достижения цели, поставленной в данной работе, необходимо проанализировать текущую ситуацию в области информационных систем, сравнить информационные...
-
Назначение и функции программной системы Разработанная база данных "Библиотека" предназначена для использования в учреждениях библиотек. Основной...
-
Формирование области многокритериального выбора вариантов Стоит задача о выборе марки автомобиля с их известными особенностями и характеристиками....
-
Описание проекта, который является объектом исследования Проект - представляет собой внедрение информационно - аналитической системы управления карьерой...
-
Современные технологии обработки Больших данных Большой проект бюджетирование автоматизация С приходом новых технологий, инструментов и средств...
-
Очередность разработки Системы А) разработка программного обеспечения для ввода, редактирования и актуализации контента, синхронизации с хранилищем...
-
Что такое информационная технология Главным направлением перестройки менеджмента и его радикального усовершенствования, приспособления к современным...
-
Требования к функциональным характеристикам система должна обеспечивать выполнение следующих функций: - Актуальная информативность Исходные данные:...
-
Назначение разрабатываемой системы Целью дипломной работы является разработка системы учета Посещаемости детей в детском саду на основе объектно -...
Исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного многоквартирного жилого дома - Способ реализации автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии на базе беспроводной технологии ZigBee