Использование диапазонов 433 и 868 МГц в системах промышленной телеметрии

В диапазоне 2,4 ГГц работают такие популярные стандарты как Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee. Однако значит ли это, что это лучший выбор разработчика при проектировании любой системы? Разумеется, нет. Субгигагерцевые диапазоны обеспечивают ряд преимуществ в виде большей дальности, сниженного энергопотребления, меньшей стоимости для таких приложений как системы безопасности и сбора данных со счетчиков энергии, низкоскоростные устройства промышленной телеметрии и домашней автоматизации. Примерное соотношение дальности связи и скорости передачи данных для различных беспроводных стандартов приведено на рисунке 1.

В Российской Федерации выделены два субгигагерцевых диапазона частот, где возможно безлицензионное применение радиопередающих устройств — 443 и 868 МГц. Термин «безлицензионный» означает, что потребитель может использовать радиопередающие устройства без специальных разрешений и регистрации. Однако необходимо, чтобы технические характеристики радиопередающих устройств отвечали техническим требованиям, утвержденным решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). За это отвечает производитель этих устройств, подтверждая соответствие их параметров установленным нормам.

ГКРЧ — межведомственный координационный орган, действующий при Министерстве связи и массовых коммуникаций РФ и регулирующий на коллегиальной основе использование радиочастотного спектра в РФ. Основные требования к радиопередающим устройствам субгигагерцевых диапазонов приведены в таблице 1. Следует отметить, что распределение российских участков частот в диапазоне 868 МГц не совпадает с европейским. В частности, в РФ не разрешены к свободному применению мощные передатчики диапазона g3 (869,4…869,650 МГц), которые позволяют достигать дальности связи в десятки километров (см. рис. 2).

По сравнению с диапазоном 2,4 ГГц приемопередатчики диапазонов 433 и 868 МГц представляют собой относительно простые беспроводные решения, которые могут десятилетиями работать от батарей, обеспечивая при этом устойчивую связь не только на открытом пространстве.

Дальность связи

Увеличенная дальность связи систем субгигагерцевого диапазона по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц обусловлена несколькими факторами. В диапазонах 433 и 868 МГц можно использовать более узкую полосу приемника, что позволяет достигать значения чувствительности до –125 дБм, по сравнению с –102 дБм у микросхем 2,4 ГГц. Сужению полосы пропускания приемника препятствует долговременная нестабильность кварцевого резонатора, которая умножается на больший коэффициент для высокочастотного диапазона 2,4 ГГц. При прохождении через препятствия внутри зданий радиоволны субгигагерцевого диапазона ослабляются в меньшей степени, что особенно заметно в железобетонных зданиях. Даже на открытом пространстве затухание низкочастотного сигнала меньше, т.к. дальность распространения радиоволн прямо пропорциональна длине волны (обратно пропорциональна частоте сигнала). Инженерное правило гласит: увеличение частоты в два раза приводит к двойному сокращению дистанции связи. Зависимость затухания радиосигнала в свободном пространстве определяется формулой Фрииса:

где d — расстояние; λ — длина волны (в той же размерности, что и d).

В данном случае подразумевается, что приемная и передающая антенны имеют коэффициент усиления, равный единице.
Ослабление радиосигнала в зависимости от расстояния и частоты продемонстрировано на рисунке 3. Для оценки качества радиолинка применяется понятие энергетического потенциала радиолинии или бюджета радиолинии (Link margin), который показывает, насколько сигнал на входе приемника превышает его предельную чувствительность. Бюджет радиолинии вычисляется по следующей формуле:

Link margin (дБ) = TX power — RX sensivity + ANT gain — Path loss,

где TX power — выходная мощность передатчика, дБм; RX sensivity — чувствительность приемника, дБм; ANT gain — совокупный коэффициент усиления приемной и передающей антенны, дБи; Path loss — затухание сигнала на радиотрассе, дБ.

Для устойчивой связи бюджет радиолинии должен быть не менее 10…20 дБ. Допустимый разброс этого параметра может определяться типом модуляции, наличием избыточного кодирования и каких-либо методов расширения спектра. Очень опасно строить беспроводную систему, которая не имеет достаточного запаса энергетического потенциала. Классический пример такого рода — развернутая зимой система становится совершенно неработоспособной в летние месяцы из-за распустившейся листвы деревьев. Если между приемником и передатчиком располагаются какие-то препятствия, то дополнительное ослабление сигнала определяется типом и толщиной материала (см. рис. 4).

Радиоволны субгигагерцевого диапазона характеризуются большей дифракцией, т.е. способностью огибать препятствия. К сожалению, радиоволны диапазона 2,4 ГГц распространяются подобно световому лучу, и попадание приемной антенны в зону радиотени даже от относительно небольшого объекта может нарушать связь. Например, для модулей XBee Pro 2,4 ГГц заявленная дальность связи в 3 км легко подтверждается экспериментом. На практике она достигает даже 4 км. Однако на таком большом расстоянии любое препятствие между приемной и передающей антеннами (человек, дерево, столб, машина) приводит к уменьшению количества успешно принятых пакетов с 80% до 0.

Габариты изделий

Выбранный диапазон частот практически не влияет на габариты изделия с точки зрения размеров и количества компонентов на печатной плате. Однако размер антенны прямо пропорционален длине волны, поэтому субгигагерцевые системы имеют антенны большего размера. Инженерная формула для расчета длины антенны в виде четвертьволнового штыря имеет следующий вид:

Длина антенны для диапазона 433 МГц составляет 17,3 см, для диапазона 868 МГц — 8,2 см. Разумеется, существуют миниатюрные антенны и для диапазонов 433 МГц, например, керамические чип-антенны, однако их эффективность меньше, чем у полноразмерных, т.е. тех антенн, размер которых соизмерим с длиной волны (см. рис. 5).

В отличие от 2,4 ГГц антенны 433 и 868 МГц могут работать на кабель длиной в единицы метров. Затухание сигнала диапазона 2,4 ГГц в коаксиальном кабеле достаточно велико, поэтому на практике для данного диапазона вынос антенны на расстояние большее, чем несколько десятков сантиметров, едва ли возможно.

Помеховая обстановка

В диапазоне 2,4 ГГц работает большое количество потребительской электроники –Wi-Fi-роутеры и компьютеры, телефоны с Bluetooth и микроволновые печи. Особенностью данных источников помех является то, что они могут работать продолжительное время. Например, WI-Fi-роутер может часами и сутками работать на максимальной мощности при закачке фильмов. Что касается микроволновых печей, то их влияние, исходя из опыта автора, сильно преувеличено. Диапазон 433 МГц в крупных населенных пунктах также загружен многочисленными устройствами охранной сигнализации, однако все эти устройства включаются, как правило, лишь на короткое время, поэтому их влияние можно нивелировать правильным алгоритмом отправки пакетов — необходимо применять контроль доставки и повторные отправки сообщений. Наиболее спокойным относительно количества помех на текущий момент представляется диапазон 868 МГц, возможно, потому, что безлицензионным он стал в нашей стране относительно недавно.

Потребление энергии

В общем случае, чем выше рабочая частота системы, тем больше потребление тока. Это относится как процессорам, работающим с разными тактовыми частотами, так и к высокочастотным устройствам. Например, типовое потребление ZigBee-трансивера составляет 20…40 мА в диапазоне 2,4 МГц, в то время как трансиверы субгигагерцевых диапазонов имеют потребление в пределах 10…20 мА. Это касается, в основном, активного режима работы трансивера, т.к. в режиме сна параметры потребления не зависят от частотного диапазона. Для снижения энергопотребления важно, чтобы трансивер переходил из состояния сна в режим передачи за короткое время. У современных микросхем это время достигает единиц микросекунд, что позволяет строить на них системы со скачко­образной перестройкой частоты даже в субгигагерцевых диапазонах.
Продолжительность работы в 10 и более лет от батарей обеспечивается периодическим засыпанием устройства на время от долей секунд до десятков минут. В моменты сна обмен данными по эфиру невозможен. При необходимости поддерживать 100% готовность радиолинка (по времени) нужно, чтобы приемник постоянно находился в активном режиме. Лучшие пакетные трансиверы имеют потребление порядка единиц мА в диапазонах 433 и 868 МГц. Минимальное потребление в активном режиме приема обеспечивают простейшие сверхрегенеративные приемники, однако они характеризуются низкими значениями чувствительности и избирательности. Например, радиомодуль Telecontrolli STE-RX-868 потребляет 0,7 мА, а радиомодуль RR18-433 всего лишь 70 мкА.

Чем дольше устройство находится в спящем состоянии, тем меньше требуемая емкость батарей для обеспечения заданного времени автономной работы. Обратная сторона спящего режима — снижение мгновенной доступности связи.

Сложность программного обеспечения

Любая беспроводная система представляет собой не только аппаратные средства («железо»), но и программное обеспечение, реализующее радиопротокол. В диапазоне 2,4 ГГц в основном используются стандартные стеки протоколов (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee), которые довольно сложны с программной точки зрения. Для их реализации требуется повышенный объем флэш-памяти микроконтроллера (МК) — от 1 МБ для Wi-Fi до десятков кБ для ZigBee (см. рис. 6). Проприетарные протоколы для субгигарцевого диапазона укладываются в единицы Кбайт, например, стек Silicon Labs EzMacPro. Кроме объема памяти стандартные протоколы требуют повышенной вычислительной мощности МК. Использование проприетарных протоколов во многих случаях оказывается более выгодным с точки зрения временных затрат на разработку. Преимущества же стандартных технологий в виде совместимости с оборудованием других производителей имеет значение главным образом в потребительской электронике. Едва ли разработчику системы охраны или сбора данных с промышленного оборудования нужно стремиться к тому, чтобы к его системе можно было подключать устройства конкурирующего производителя.

Какие компоненты доступны?

Практически каждый крупный производитель микросхем выпускает свою номенклатуру чипов для субгигагерцевого диапазона. Это трансиверы, раздельные микросхемы приемников и передатчиков и многофункциональные ИС, включающие высокочастотную часть и 8–32-разрядный процессор (см. табл. 2). Для тех, кто в силу недостаточности опыта или просто нехватки времени не хочет заниматься разводкой высокочастотных цепей, на рынке предлагаются радиочастотные модули с различной степенью интеграции. В простейшем случае радиомодуль может представлять собой микросхему трансивера, запаянную на плату с необходимой обвязкой. Довольно популярны модули на базе пакетных трансиверов Texas Instruments (см. рис. 7). Например, радиомодуль Panasonic PAN2355, построенный на базе микросхемы CC1101, имеет размеры всего лишь 8×8 мм. Для отправки пакета здесь необходимо запрограммировать многочисленные внутренние регистры трансивера СС1101. Относительная сложность управления компенсируется невероятной гибкостью — разработчик может настраивать вид модуляции, скорость передачи данных, полосу пропускания приемника, длину пакета и множество других параметров.

Радиомодуль XBee 868 LP (см. рис. 8) включает не только трансивер (ADF7023), но и 32-разрядный процессор на ядре Cortex-M3, реализующий фирменный протокол DigiMesh. Для российских потребителей этот модуль интересен тем, что имеет максимальную выходную мощность, разрешенную в РФ для диапазона 868 МГц (25 мВт), и позволяет построить сеть со спящими ретрансляторами. Дальность связи составляет 4 км на открытом пространстве и до 200 м внутри помещений. Скорость передачи данных в радиоканале составляет 80 кбит/с. Потребление модуля в режиме сна составляет единицы микроампер, поэтому на его основе можно строить протяженные сети, где все узлы будут работать от батарей в течение нескольких лет. Управление модулем заключается в подаче простых AT-команд конфигурации, передача данных может производиться в прозрачном режиме.

В последние годы все большее распространение получают системы-на-кристалле и системы-в-пакете, интегрирующие в одной микросхеме высокочастотный трансивер и МК. Радимодули на их основе позволяют создавать полностью законченные функциональные узлы, которые не только передают, но и хранят данные, обслуживают датчики и реализуют интерфейс с пользователем. Например, радиомодуль Telecontrolli RXQR7-868 (см. рис. 9) построен на базе чипа Silicon Labs Si1010, где в одном корпусе интегрирован радиочастотный трансивер, МК c 51 ядром (25 MIPs, 16 Кбайт флэш-памяти, 768 B RAM) и усилитель мощности. Чувствительность модуля в узкополосном режиме достигает –121 дБм, выходная мощность регулируется в широких пределах: 1…20 дБм. Низкое потребление и широкий диапазон питающего напряжения позволяют реализовать на базе данного модуля радиоинтерфейсы к счетчикам электричества, газа и воды.

Радиомодуль APC240-43 (см. рис. 10) на базе трансивера Semtech SX1212 будет интересен для тех разработчиков, которым требуется простой в применении и готовый к употреблению радиоканал в диапазоне 433 МГц. Пара таких модулей реализуют функционал «беспроводный UART», т.е. все данные, отправляемые на последовательный порт одного модуля, можно получить на выходе другого на расстоянии до 700 м. К несомненным достоинствам модуля можно отнести простоту подключения, широкий диапазон питающего напряжения (2,1…5,5 В) и минимальный ток потребления в режиме приема (5 мА).

Заключение

Современная элементная база позволяет создавать малопотребляющие и недорогие субгигагерцевые решения для систем охраны, промышленной телеметрии и беспроводных систем сбора данных со счетчиков энергии, в том числе и с батарейным питанием. Беспроводные системы передачи данных для безлицензионных диапазонов 433 и 868 МГц имеют ряд преимуществ пеед системами 2,4  ГГц. Они хорошо зарекомендовали себя в условиях городской застройки и при работе внутри помещений. Широкая номенклатура микросхем и радиомодулей разной степени интеграции позволяет создавать устройства, оптимизированные для каждой конкретной задачи, а, следовательно, более совершенные в техническом плане и экономически более выгодные по сравнению с решениями на базе стандартных технологий диапазона 2,4 ГГц.