Jędrzej Drozdowicz. Bezprzewodowa sieć czujników zgodna ze standardem IEEE

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Systemów Elektronicznych Jędrzej Drozdowicz Numer albumu Praca dyplomowa magisterska Bezprzewodowa sieć czujników zgodna ze standardem IEEE Opiekun pracy: dr inż. Gustaw Mazurek Warszawa, 2015 r.

2 Bezprzewodowa sieć czujników zgodna ze standardem IEEE Celem pracy jest zaprojektowanie i wykonanie węzłów bezprzewodowej sieci czujników oraz zbadanie zestawionej z nich sieci. W pracy przedstawiono przegląd wybranych standardów komunikacji bezprzewodowej, wnioski dotyczące ich stosowania w sieciach czujników oraz wybór odpowiedniego standardu. Opisano proces projektowania węzłów sieci w zakresie schematu ideowego, obwodu drukowanego i oprogramowania, szczegółowo omówiono niestandardowe rozwiązania. Zaprezentowano opracowany algorytm prowadzenia pomiarów, dostosowany do zaprojektowanych węzłów oraz scenariuszy badawczych. Przedstawiono cele, przebieg oraz wyniki badań przeprowadzonych zarówno w środowisku wewnątrz budynku, jak i w otwartym terenie. Nakreślono plany rozwoju zaprojektowanych węzłów oraz dalszych badań. Wireless measurement system compliant to IEEE standard The goal of this thesis is to develop and to make nodes of a wireless measurement network and to analyse the network of the nodes. In this work an overview of selected wireless communication standards, conclusions regarding the use of those standards and choice of suitable standard were presented. The development process of the schematics, printed circuit board and the software was described, with the detailed description of non standard solutions. A devised measurement algorithm, tailored for developed nodes and research scenarios was presented. The goals, course and results of carried research, both in building environment and open space, were shown. The plans for further development of the nodes and for the further research were proposed.

3 Spis treści Streszczenie 2 Wykaz skrótów i oznaczeń 8 1 Wprowadzenie Cel pracy Wstęp teoretyczny Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej Budowa węzła sieci Jednostka sterująca oraz układ radiowy Tor radiowy Komunikacja z systemem nadrzędnym Zasilanie Pamięć nieulotna Czujniki Projekt obwodu drukowanego Dodatkowe złącza Gotowy węzeł Oprogramowanie Środowisko sprzętowo programowe Biblioteki Oprogramowanie docelowe Oprogramowanie po stronie systemu nadrzędnego Oprogramowanie badawcze Badania Metodyka badań

4 SPIS TREŚCI Scenariusze badań Podsumowanie i wnioski Wnioski Dalsze działania Bibliografia 97 Spis rysunków 102 Spis tablic 103 Załączniki 104 Schematy ideowe Mozaika ścieżek Wykaz elementów Załączniki w formie elektronicznej

5 Wykaz skrótów i oznaczeń Wykaz oznaczeń λ długość fali (w próżni, jeśli nie zaznaczono inaczej) A transmisyjność c prędkość światła (w próżni, jeśli nie zaznaczono inaczej) d rozmiar f częstotliwość r odległość k przedrostek kilo, 10 3 = 1000 ki przedrostek kilo, 2 10 = 1024 M przedrostek mega, 10 6 = Mi przedrostek mega, 2 20 = P r P t moc odebrana moc wyemitowana Wykaz skrótów ADC API ASK BPSK CCK CS CSS Analog/Digital Converter (przetwornik analogowo-cyfrowy) Application Programming Interface (interfejs programowania aplikacji) Amplitude Shift Keying (kluczowanie amplitudy) Binary Phase Shift Keying (binarne kluczowanie fazy) Complementary Code Keying (kluczowanie kodów komplementarnych) Chip Select (wybór układu) Chirp Spread Spectrum (rozpraszanie widma sygnałem świergotowym) 5

6 CSMA/CA CSMA/CD CSV DBPSK DQPSK DSSS EDGE EEPROM EPS FDMA FHSS FRAM FSK GFSK GMSK GPRS Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (wielodostęp ze śledzeniem nośnika i unikaniem kolizji) Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (wielodostęp ze śledzeniem nośnika i wykrywaniem kolizji) Comma Separated Values (wartości oddzielone przecinkami) Differential Binary Phase Shift Keying (różnicowe binarne kluczowanie fazy) Differential Quaternary Phase Shift Keying (różnicowe czterowartościowe kluczowanie fazy) Direct Sequence Spread Spectrum (rozpraszanie widma sekwencją bezpośrednią) Enhanced Data rates for GSM Evolution (zwiększona przepustowość dla rozwoju GSM) Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (elektrycznie wymazywalna programowalna pamięć tylko do odczytu) Evolved Packet System (rozwinięty system pakietowy) Frequency Division Multiple Access (wielodostęp z podziałem częstotliwości) Frequency Hopping Spread Spectrum (rozpraszanie widma z przełączaniem częstotliwości) Ferroelectric Random Access Memory (ferroelektryczna pamięć o dostępie swobodnym) Frequency Shift Keying (kluczowanie częstotliwości) Gaussian Frequency Shift Keying (gaussowskie kluczowanie częstotliwości) Gaussian Minimum Shift Keying (gaussowskie minimalne kluczowanie częstotliwości) General Packet Radio Service (powszechna pakietowa usługa radiowa) 6

7 GSM HSPA HT I 2 C IEEE IP ISO LAN LED LQI LTE MAC MIMO O QPSK OFDM OFDMA OSI RM PAN PSK QAM Global System for Mobile Communications (globalny system komunikacji mobilnej) High Speed Packet data Access (szybki dostęp do danych pakietowych) High Throughput (wysoka przepustowość) Inter Integrated Circuit (interfejs pomiędzy układami scalonymi) Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników) Internet Protocol (protokół Internetu) International Organization for Standardization (Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna) Local Area Network (sieć o zasięgu lokalnym) Light Emitting Diode (dioda elektroluminescencyjna) Link Quality Indication (wskazanie jakości połączenia) Long Term Evolution (długoterminowa ewolucja) Media Access Control (kontrola dostępu do mediów) Multiple Input, Multiple Output (zwielokrotnione wejścia, zwielokrotnione wyjścia) Offset Quadrature Phase Shift Keying (kwadraturowe kluczowanie fazy z przesunięciem) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (zwielokrotnianie z ortogonalnym podziałem częstotliwości) Orthogonal Frequency Division Multiple Access (wielodostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości) Open Systems Interconnection Reference Model (model odniesienia dla łączenia systemów otwartych) Personal Area Network (sieć o zasięgu osobistym) Phase Shift Keying (kluczowanie fazy) Quadrature Amplitude Modulation (kwadraturowa modulacja amplitudy) 7

8 RAM Random Access Memory (pamięć o dostępie swobodnym) RF Radio Frequency (częstotliwość radiowa) RSSI Received Signal Strength Indication (wskazanie siły odebranego sygnału) RTS/CTS Request to Send and Clear to Send (żądanie transmisji/zgoda na transmisję) SC FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access (wielodostęp z podziałem częstotliwości z pojedynczą nośną) SOC System-on-a-Chip (system w układzie scalonym) SPI Serial Peripheral Interface (szeregowy interfejs peryferiów) TCP Transmission Control Protocol (protokół kontroli transmisji) TDD Time Division Duplex (transmisja dwukierunkowa z podziałem czasu) TDMA Time Division Multiple Access (wielodostęp z podziałem czasu) UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (uniwersalny asynchroniczny odbiornik/nadajnik) UMTS Universal Mobile Telecommunications System (uniwersalny system telekomunikacji mobilnej) USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter (uniwersalny synchroniczny/asynchroniczny odbiornik/nadajnik) USB Universal Serial Bus (uniwersalna magistrala szeregowa) WCDMA Wideband Code Division Multiple Access (wielodostęp z podziałem kodu dla komunikacji szerokopasmowej)

9 Rozdział 1 Wprowadzenie 1.1 Cel pracy Celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie i wykonanie węzłów bezprzewodowego systemu pomiarowego oraz zbadanie zestawionej z nich sieci. Główne założenia dotyczące budowanego systemu są następujące: ˆ praca przede wszystkim wewnątrz budynków, ˆ większość węzłów sieci zasilana z baterii, ˆ możliwość swobodnej rozbudowy sieci o węzły o różnej funkcjonalności, ˆ łatwa komunikacja sieci z systemem nadrzędnym (komputerem PC), ˆ praca w zakresie częstotliwości niewymagającym dodatkowej licencji. Spełnienie założeń zostało zweryfikowane podczas badań i testów wykonanego systemu. 1.2 Wstęp teoretyczny Bezprzewodowe systemy pomiarowe Systemy pomiarowe są szeroko rozpowszechnione w wielu dziedzinach w przemyśle (kontrola parametrów procesów technologicznych), nauce (badania naukowe), 9

10 1.2. Wstęp teoretyczny 10 logistyce (monitorowanie warunków magazynowania i transportu) oraz życiu codziennym (kontrola i ograniczanie zużycia mediów, poprawa komfortu w obiektach mieszkalnych). Automatyzacja zbierania i przetwarzania danych pomiarowych przynosi znaczące korzyści w każdej z tych dziedzin, lecz także wymusza ciągły rozwój systemów pomiarowych. Pierwsze bezprzewodowe sieci pomiarowe powstały koniec XX wieku. Pomimo oporów i wątpliwości ze strony potencjalnych użytkowników (mniejsza niż w przypadku sieci kablowej niezawodność połączenia oraz potencjalnie mniejsze bezpieczeństwo przesyłanych danych) popularność bezprzewodowych sieci pomiarowych stale rośnie ze względu na ich liczne zalety, między innymi: ˆ brak konieczności prowadzenia okablowania, ˆ znacznie niższe niż w przypadku sieci przewodowych koszty instalacji, ˆ możliwość budowy węzłów zasilanych z baterii lub źródeł odnawialnych (fotowoltaika, energy harvesting), ˆ łatwiejsza niż w przypadku sieci przewodowych modyfikacja sieci, ˆ możliwość dołączenia do sieci węzłów poruszających się. Topologie sieci Topologie sieci bezprzewodowych tylko częściowo pokrywają się z topologiami sieci przewodowych i są następujące (rysunek 1.1): Topologia punkt punkt (point point) pozwala na połączenie wyłącznie dwóch węzłów komunikujących się między sobą. Najczęściej jeden z węzłów pełni rolę nadrzędną (master), a drugi podrzędną (slave). Węzeł nadrzędny jest koordynatorem sieci. Topologia ta stosowana jest najczęściej w sieciach ad-hoc, gdzie węzeł podrzędny jest miernikiem/licznikiem, a węzeł nadrzędny odpowiedzialny jest za akwizycję danych lub przekazywanie ich do systemu nadrzędnego. Topologia gwiazdy (star) stanowi rozwinięcie topologii punkt punkt. Pozwala stworzyć sieć o dwustopniowej hierarchii, gdzie wszystkie węzły podrzędne komunikują się bezpośrednio z węzłem nadrzędnym (koordynatorem).

11 1.2. Wstęp teoretyczny 11 (a) (b) (c) (d) Rysunek 1.1: Topologie sieci bezprzewodowych. a) punkt punkt, b) gwiazda, c) drzewo, d) siatka Topologia drzewa (tree) jest rozwinięciem topologii gwiazdy o dodatkowe stopnie hierarchii. Węzły podrzędne (liść, leaf ) komunikują się z koordynatorem sieci (korzeń, root) za pośrednictwem węzłów pośrednich (gałąź, router). Topologia siatki (mesh) zakłada brak sztywnej hierarchii sieci. Każdy węzeł może komunikować się z innym węzłem, dane mogą być przekazywane między węzłami pośrednio, poprzez inne węzły według ustalonej ścieżki. Należy zwrócić uwagę, że w sieciach bezprzewodowych nie występuje topologia magistrali (bus), jednak topologia pierścienia (ring) może być stosowana dla zwiększenia niezawodności.

12 1.2. Wstęp teoretyczny 12 Model ISO OSI 7. AL Warstwa aplikacji (Application Layer) 6. PL Warstwa prezentacji (Presentation Layer) 5. SL Warstwa sesji (Session Layer) 4. TL Warstwa transportowa (Transport Layer) 3. NWK Warstwa sieciowa (Network Layer) 2. DLL Warstwa łącza danych (Data Link Layer) 1. PHY Warstwa fizyczna (Physical Layer) Rysunek 1.2: Warstwy modelu OSI RM Organizacja ISO stworzyła model referencyjny połączenia między systemami otwartymi OSI RM. Definiuje on siedem hierarchicznych warstw [1], przedstawionych na rysunku 1.2. Większość standardów komunikacji opiera się na tym modelu bezpośrednio lub definiuje tylko wybrane warstwy. Poszczególne warstwy modelu OSI RM (z wyjątkiem najwyższej i najniższej) przekazują informacje między warstwami z nią sąsiadującymi, najniższa warstwa odpowiada za fizyczną komunikację między systemami i wymienia informacje z warstwą wyższą, natomiast warstwa najwyższa wymienia informacje z warstwą niższą. Połączenie fizyczne między systemami występuje tylko na poziomie warstwy fizycznej (najniższej), natomiast połączenie logiczne istnieje na wszystkich poziomach. Warstwa łącza danych (DLL) składa się z dwóch podwarstw: podwarstwy sterowania dostępem do medium (MAC) oraz podwarstwy sterowania połączeniem logicznym (LLC). Podział ten jest wyraźnie zaznaczony w wielu standardach. W niniejszej pracy model OSI RM będzie stosowany do opisu standardów komunikacji, również tych, które bazują na podzbiorze tego modelu składającym się z mniejszej liczby warstw. W niniejszej pracy będzie stosowany podział na warstwy niższe (blisko związane ze sprzętowymi aspektami komunikacji, czyli PHY oraz DLL) oraz warstwy wyższe (w większości przypadków realizowane programowo). Pozwoli to w dalszej części pogrupować standardy komunikacji bezprzewodowej według warstw niższych i porównać ich parametry.

13 1.2. Wstęp teoretyczny Podstawy propagacji fal radiowych Zdecydowana większość bezprzewodowych systemów pomiarowych opiera się na transmisji radiowej, stąd w niniejszej pracy pominięte zostały inne sposoby transmisji (na przykład transmisja w zakresie podczerwieni). Bezprzewodowe systemy pomiarowe pracują przede wszystkim w środowisku wewnątrzbudynkowym, jednak dla zrozumienia mechanizmów propagacji fal radiowych w takim środowisku konieczne jest przytoczenie zasad propagacji w otwartej przestrzeni. Propagacja fal radiowych w otwartej przestrzeni Podczas transmisji mocy za pośrednictwem fali elektromagnetycznej pomiędzy anteną nadawczą a odbiorczą stosunek mocy odebranej do mocy wyemitowanej jest zawsze mniejszy od jedności i wyraża się zależnością [2]: ( ) 2 ( ) 2 P r λ c = = (1.1) P t 4πr 4πfr Wskazuje to na występowanie zjawiska zwanego tłumieniem otwartej przestrzeni (free space path loss). Wbrew polskiej nazwie zjawisko to nie wiąże się z faktycznym tłumieniem mocy, jednak podczas obliczania bilansu łącza (link budget) dla uproszczenia traktowane jest właśnie w taki sposób. Zależność tłumienia od częstotliwości nośnej zaprezentowano na rysunku 1.3. Warto zwrócić uwagę, że tłumienie otwartej przestrzeni rośnie wraz z częstotliwością fali nośnej oraz z odległością między anteną nadawczą i odbiorczą. Podana zależność jest słuszna tylko w strefie dalekiej (to znaczy, gdy spełniony jest warunek r >> λ) Propagacja fal w pomieszczeniach Propagacja fal w pomieszczeniach jest zagadnieniem dużo bardziej złożonym niż propagacja fal w otwartej przestrzeni. Ze względu na niejednorodność i niepowtarzalność wnętrz budynków niemożliwe jest przedstawienie uniwersalnych zależności analitycznych bardzo często stosowane są modele statystyczne. Przyjmuje się, że przy rozpatrywaniu odległości mniejszych niż 5 metrów, wewnątrz pomieszczeń propagacja fal jest zbliżona do propagacji w otwartej przestrzeni [2].

14 1.2. Wstęp teoretyczny 14 FSPL [db] r = 100 m r = 10 m r = 1 m f [MHz] Rysunek 1.3: Zależność tłumienia otwartej przestrzeni od częstotliwości fali nośnej dla różnych odległości między nadajnikiem i odbiornikiem W przypadku transmisji radiowej między pomieszczeniami, czyli przez przeszkody (ściany, stropy, drzwi, okna), można modelować propagację fal tym lepiej, im lepiej zna się właściwości rozpatrywanego środowiska (budynku). Istnieje wiele modeli propagacji fal radiowych w środowisku wewnątrzbudynkowym, między innymi [3]: ˆ rekomendacja ITU R P.1238, ˆ model One Slope, ˆ model Liniowy, ˆ model Motleya Keenana, ˆ model Multi Wall, ˆ model COST 231 Multi Wall.

15 1.2. Wstęp teoretyczny 15 Tylko wybrane modele można wykorzystać do każdej częstotliwości fali nośnej. Większość przypisana jest konkretnym zakresom częstotliwości lub nawet konkretnym standardom telekomunikacyjnym Bilans łącza Do określenia potencjalnego zasięgu łącza radiokomunikacyjnego używa się pojęcia bilansu łącza (link budget) [4]. Pojęcie to wyraża się równaniem Friisa: P r = P tg t G r L p (1.2) gdzie P r moc odebrana, P t moc wypromieniowana, G t wzmocnienie anteny nadawczej (w kierunku transmisji), G r wzmocnienie anteny odbiorczej (w kierunku transmisji), L p straty mocy między odbiornikiem a nadajnikiem. Dla uproszczenia obliczeń równanie to przedstawia się w postaci decybelowej: P r [db] = P t [db] + G t [db] + G r [db] L p [db] (1.3) Parametr P t jest bezpośrednio związany z nadajnikiem, parametry G t oraz G r z antenami. Wartość L p w przypadku transmisji w otwartej przestrzeni jest tłumieniem otwartej przestrzeni (patrz rozdział 1.2.2), natomiast w ogólności parametr ten powinien zawierać straty wynikające ze wszystkich zjawisk mających istotny wpływ na transmisję takich jak między innymi efekt wielodrogowości, transmisja w strefie przyziemniej, transmisja w zamkniętej przestrzeni. Parametr P r jest związany z czułością odbiornika: S r P r, gdzie S r czułość odbiornika. Znając parametry nadajnika, odbiornika i anten oraz zależność L p (r) dla danej częstotliwości, można w prosty sposób określić maksymalny zasięg transmisji. Równanie Friisa można przekształcić, dzieląc obustronnie przez N 0 = kt e, gdzie N 0 gęstość szumów, k stała Boltzmanna, T e równoważna temperatura szumów: P r N 0 = P tg r G t L p kt e (1.4)

16 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 16 Iloraz Pr N 0 jest jedną z wielu używanych miar stosunku sygnału do szumu, w wielu przypadkach preferowaną ze względu na brak założeń co do modulacji. 1.3 Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej Istnieje wiele standardów komunikacji bezprzewodowej, które są stosowane do budowy systemów pomiarowych i sieci czujnikowych. W niniejszym rozdziale przedstawiono te najpopularniejsze, pozwalające spełnić przyjęte wcześniej założenia. Standardy pogrupowano według warstw niższych, w każdym podrozdziale opisano, jakie warstwy wyższe można stosować w połączeniu z opisywanymi warstwami niższymi Standardy związane z telefonią komórkową W bezprzewodowych systemach pomiarowych, w szczególności rozproszonych, można wykorzystać protokoły komunikacyjne używane w telefonii komórkowej. Główną cechą odróżniającą takie rozwiązania od pozostałych wymienionych w tym rozdziale jest sposób komunikacji między węzłami w tym przypadku odbywa się zawsze za pośrednictwem stacji bazowych, niebędących w sensie logicznym węzłami sieci. Standardy związane z telefonią komórkową pracują przede wszystkim w pasmach licencjonowanych, jednak nie wyklucza to zastosowania ich w bezprzewodowym systemie pomiarowym (patrz: rozdział 1.1), gdyż w takim przypadku bazuje się na istniejącej sieci telefonii komórkowej oraz licencji operatora sieci. Systemy komunikacji bezprzewodowej zaliczające się do związanych z telefonią komórkową, które można wykorzystać w bezprzewodowej sieci pomiarowej są następujące: ˆ usługa SMS w standardzie GSM, ˆ GPRS/EDGE w standardzie GSM, ˆ HSPA/HSPA+ w standardzie UMTS, ˆ LTE/LTE-A w standardzie EPS.

17 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 17 Standard GSM został stworzony do przesyłania informacji w czasie na bieżąco, czyli do przesyłania głosu, i pracuje na zasadzie komutacji łączy. GPRS/EDGE rozszerza standard GSM o możliwość pracy na zasadzie komutacji pakietów i umożliwia transmisję z większą szybkością. Podczas transmisji GPRS/EDGE wykorzystywane są te same szczeliny czasowe TDMA co przy połączeniach głosowych. GPRS wykorzystuje modulację GMSK i pozwala osiągać maksymalną szybkość transmisji 171 kb/s, natomiast EDGE wykorzystuje modulację 8PSK i pozwala osiągnąć maksymalną szybkość transmisji 384 kb/s. Nazwa zakres uplink [MHz] zakres downlink [MHz] liczba kanałów T GSM ,2 389,8 390,2 399, T GSM ,2 419,8 420,2 429, GSM ,4 457,6 460,4 467, GSM , , GSM GSM T GSM GSM P GSM E GSM R GSM DCS PCS Tablica 1.1: Warstwy fizyczne standardu GSM [5] Standard GSM przewiduje liczne warstwy fizyczne, wykorzystywane przez GPRS/ED- GE, pracujące w różnych pasmach podzielonych na dwa podpasma, odpowiednio dla transmisji w kierunku od urządzenia końcowego do stacji bazowej i w przeciwnym. Warstwy te zebrano w tablicy 1.1. Kanały komunikacyjne w poszczególnych pasmach są rozmieszczone co 200 khz, na krańcach podpasm wyznaczono obszary ochronne o szerokości 200 khz. Standard UMTS został stworzony jako następca standardu GSM, aby zapewnić większą szybkość transmisji danych. Zastosowano nowy protokół wielodostępu WCDMA i wprowadzono emulację komutacji łączy dla rozmów głosowych i emulację komutacji pakietów dla danych. Wykorzystano modulację 16QAM, co pozwala osiągać szybkości transmisji rzędu 14 Mb/s (HSPA+).

18 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 18 Nazwa zakres uplink [MHz] zakres downlink [MHz] I II III IV V VI VII VIII IX 1749,9 1784,9 1844,9 1879,9 X XI 1427,9 1447,9 1475,9 1495,9 XII XIII XIV XIX XX XXI 1447,9 1462,9 1495,9 1510,9 XXII XXV XXVI Tablica 1.2: Warstwy fizyczne standardu UMTS [6] Standard UMTS, podobnie jak GSM, przewiduje warstwy fizyczne i pary podpasm, odpowiednio dla transmisji w kierunku od urządzenia końcowego do stacji bazowej i w przeciwnym. Warstwy te zebrano w tablicy 1.2. Zakresy te częściowo pokrywają się z zakresami definiowanymi dla standardu GSM. Poszczególne pasma mogą być dzielone lub łączone w zależności od trybu pracy i wymaganej szybkości transmisji. Standard EPS wprowadzony jako ewolucja standardu UMTS dostosowany jest do wykorzystania protokołu IP, co oznacza, że zarówno dane pakietowe, jak i rozmowy głosowe przesyłane są za pośrednictwem tego protokołu. LTE przewiduje modulacje wysokich rzędów (do 64 QAM) oraz duże szerokości pasm (do 20 MHz). Przewiduje też zastosowanie technologii MIMO do zwiększenia przepustowości. W kierunku od użytkownika do stacji bazowej wykorzystano sposób wielodostępu SC FDMA, co pozwala uzyskać szybkość transmisji do 75 Mb/s, natomiast w kierunku od stacji bazowej do użytkownika wykorzystano OFDMA, co pozwala uzyskać maksymalną szybkość transmisji do 300 Mb/s.

19 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 19 Nazwa zakres uplink [MHz] zakres downlink [MHz] I V VII XIV XIX XXII XXV XXVI jak w UMTS (patrz tablica 1.2) XVII XVIII XXIII XXIV 1626,5 1660, XXVII XXVIII XXXIII XXXIV XXXV XXXVI XXXVII XXXVIII XXXIX XL XLI XLII XLIII XLIV Tablica 1.3: Warstwy fizyczne standardu EPS [7] Standard LTE rozszerza listę częstotliwości zdefiniowanych dla GSM i UMTS, podobnie jak w poprzednich standardach definiuje pary podpasm, odpowiednio dla transmisji w kierunku od urządzenia końcowego do stacji bazowej i w przeciwnym (niektóre zakresy przeznaczone są do transmisji dwukierunkowej). Warstwy te zebrano w tablicy 1.2. Podobnie jak w przypadku standardu UMTS, zakresy te mogą być dzielone i łączone w celu osiągnięcia optymalnej przepustowości łącza. Najważniejsze cechy standardów związanych z telefonią komórkową Rozmiar sieci: liczba węzłów w praktyce nieograniczona, rozmiar sieci ograniczony wyłącznie zasięgiem stacji bazowych odległość od stacji bazowej może wynosić 35 km, a w trybie Extended range nawet 120 km. Zużycie energii: znaczące ze względu na konieczność każdorazowego logowania się do sieci po wyjściu z trybu uśpienia lub cyklicznego meldowania się do sieci w

20 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 20 trybie czuwania. Co więcej standard przewiduje nadajniki o mocy chwilowej 1 W lub 2 W. Zakres częstotliwości: wiele różnych zakresów, jednak konstruktor ma ograniczony wpływ na wybór. Dostępność standardu: oraz certyfikacja GCF (Global Certification Forum) 1. otwarty, publiczny; konieczna deklaracja zgodności CE Producenci układów: wielu, między innymi Telit, SimCom, u blox, Sierra Wireless. Inne: wszystkie węzły muszą mieć aktywną kartę SIM, co wiąże się z koniecznością wykupienia abonamentu z taryfą telemetryczną i znacznie zwiększa koszt eksploatacji systemu. Wyższe warstwy 7. AL dedykowana 6. PL dedykowana 5. SL SMS 4. TL TCP 3. NWK IP 2. DLL 1. PHY GSM/UMTS/EPS Rysunek 1.4: Możliwości zastosowania standardów telefonii komórkowej w bezprzewodowych systemach pomiarowych Możliwość połączenia standardów związanych z telefonią komórkową z wyższymi warstwami obrazuje rysunek 1.4. Najprostszym rozwiązaniem jest wykorzystanie usługi SMS w połączeniu z dedykowaną aplikacją. Usługa SMS nadaje się do wysyłania krótkich (do 160 znaków w jednej wiadomości) komunikatów i odczytów w 1 W niniejszej pracy, jeśli nie zaznaczono inaczej, opisywane certyfikaty dotyczą obszaru Unii Europejskiej (w szczególności Polski). W dalszej części tego rozdziału deklaracja CE nie będzie wymieniana jako obowiązkowa dla wszystkich urządzeń.

21 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 21 postaci tekstowej z niewielką częstotliwością (poniżej 1 wiadomości na sekundę). Wiadomości SMS wysyłane są dedykowanym kanałem sygnalizacyjnym, niezależnym od kanałów przeznaczonych do połączeń głosowych i danych. Mechanizm kontroli dostarczenia wiadomości pomaga zwiększyć niezawodność systemu, ale ani czas dostarczenia wiadomości ani samo dostarczenie nie są gwarantowane. Wiadomości SMS mogą być stosowane w niewielkich systemach pomiarowych, gdzie mała przepustowość transmisji nie stanowi problemu, a możliwość wysyłania komunikatów bezpośrednio na telefony komórkowe użytkowników jest bardzo pożądana. W dużych systemach pomiarowych standard GSM/UMTS/EPS można wykorzystywać w połączeniu z protokołami transmisji danych (na przykład TCP/IP) oraz dedykowaną aplikacją. Takie podejście ułatwia współpracę z innymi systemami bazującymi na innych warstwach niższych oraz z systemem nadrzędnym. Użycie stosu protokołów internetowych daje również możliwość zagwarantowania transmisji oraz pozwala na przesyłanie dużej ilości danych IEEE Jednym z najpopularniejszych standardów sieci bezprzewodowych znajdujących zastosowanie w systemach pomiarowych jest IEEE Standard ten dedykowany jest bezprzewodowej komunikacji w sieciach o zasięgu lokalnym (LAN), dla węzłów stacjonarnych, przenośnych oraz poruszających się. Główną zaletą tego standardu jest rosnąca powszechność modemów zgodnych z IEEE wbudowanych w urządzenia konsumenckie laptopy, tablety, telefony komórkowe. Standard ten charakteryzuje się dużą szybkością transmisji danych, osiągającą do 54 Mb/s. Standard IEEE definiuje podwarstwę kontroli dostępu do medium (MAC) oraz wiele różnych warstw fizycznych (PHY) pracujących w zakresach częstotliwości 2,4 GHz oraz 5,0 GHz [8]: ˆ FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum rozpraszanie widma z przełączaniem częstotliwości) pracująca w pasmie 2,4 GHz; zawierająca 79 kanałów z odstępem 1 MHz, w zakresie 2,400 2,4835 GHz (w Europie, z wyjątkiem Hiszpanii i Francji); wykorzystująca modulację 2GFSK (z szybkością transmisji 1 Mb/s) lub 4GFSK (2 Mb/s); oznaczona jako obsolete (przestarzała),

22 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 22 może zostać usunięta w kolejnych wersjach standardu. ˆ IR pracująca w pasmie podczerwieni nm, z szybkością transmisji 1 Mb/s lub 2 Mb/s. Oznaczona jako obsolete (przestarzała), może zostać usunięta w kolejnych wersjach standardu. ˆ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum rozpraszanie widma sekwencją bezpośrednią) pracująca w pasmie 2,4 GHz, zawierająca 13 kanałów o szerokości 30 MHz (kanały nakładające się overlapping channels) w zakresie 2,400 2,4835 GHz (w Europie). Wykorzystująca modulację DBPSK (z szybkością transmisji 1 Mb/s) lub DQPSK (2 Mb/s). ˆ HR/DSSS (High Rate DSSS DSSS z wysoką szybkością przesyłu) pracująca w pasmie 2,4 GHz, rozszerzająca DSSS o możliwość transmisji z szybkością 5,5 Mb/s i 11 Mb/s z zastosowaniem ośmiosymbolowej modulacji CCK. Szerokość kanałów wynosi 25 MHz. ˆ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing zwielokrotnianie z ortogonalnym podziałem częstotliwości) pracująca w pasmie 5 GHz zawierającym 52 podnośne, szybkość transmisji 9 Mb/s (z wykorzystaniem modulacji BPSK), 18 Mb/s (QPSK), 36 MB/s (16 QAM), 54 Mb/s (64 QAM). ˆ ERP (Extended Rate PHY warstwa fizyczna z rozszerzoną szybkością przesyłu) pracująca w pasmie 2,4 GHz, rozszerza DSSS i HR/DSSS o możliwość pracy z szybkością transmisji 54 Mb/s. ˆ HT (High Throughput wysoka przepustowość) pracująca w pasmie 2,4 GHz lub 5 GHz (wybór pasma należy do projektanta systemu), z kanałami o szerokości 40 MHz, szybkość transmisji 60 Mb/s (z wykorzystaniem modulacji BPSK), 180 Mb/s (QPSK), 360 Mb/s (16 QAM), 600 Mb/s (64 QAM). 2 Warstwa fizyczna IR nie opisuje komunikacji drogą radiową, jednak dla porządku wymieniono wszystkie warstwy fizyczne zdefiniowane przez standard [8].

23 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 23 Najważniejsze cechy standardu IEEE Rozmiar sieci: kilkuset metrów. w praktyce nieograniczona liczba węzłów, zasięg transmisji do Zużycie energii: średnie. Zakres częstotliwości: 2,4 GHz, 5 GHz. Dostępność standardu: otwarty, publiczny. Jedynie używanie znaku WiFi Certified wymaga dodatkowej certyfikacji. Producenci układów: bardzo wielu, między innymi Texas Instruments, Microchip, Atmel. Inne: dzięki dużej popularności standardu bardzo łatwa jest integracja z innymi systemami, jednak z drugiej strony powszechnie występujące sieci tego typu mogą zakłócać pracę systemu pomiarowego. Wyższe warstwy 7. AL 6. PL dedykowana 5. SL 4. TL TCP dedykowana 3. NWK IP 2. DLL IEEE PHY IEEE Rysunek 1.5: Możliwości zastosowania standardu IEEE w bezprzewodowych systemach pomiarowych Standard IEEE można wykorzystać do budowy sieci w połączeniu z protokołami TCP/IP oraz dedykowaną aplikacją. Przy takim rozwiązaniu, dzięki dużej popularności bezprzewodowych sieci LAN, możliwe jest bezpośrednie połączenie systemu pomiarowego z istniejącą siecią, co znacznie ułatwia implementację, budowę i

24 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 24 obsługę systemu. Alternatywnie można stworzyć dedykowaną aplikację opartą bezpośrednio na IEEE (warstwy PHY i MAC, z pominięciem wyższych warstw), jednak utrudni lub uniemożliwi to współpracę sieci z istniejącymi urządzeniami. Możliwości te przedstawiono na rysunku IEEE oraz Bluetooth Standardy IEEE oraz Bluetooth (BT) definiują sieć o zasięgu osobistym (PAN) pracującą w pasmie 2,4 GHz. Standard IEEE bazuje na standardzie Bluetooth w wersji 1 i opisuje wyłącznie warstwy fizyczną oraz kontroli dostępu do medium [9]. W niniejszym rozdziale opisano wersję 4 standardu Bluetooth. Bluetooth jest stosem protokołów opracowanym z myślą o zastąpieniu połączeń kablowych łącznością bezprzewodową w przenośnych i stacjonarnych urządzeniach elektronicznych. Głównymi zaletami są niezawodność, niskie zużycie energii i niski koszt. Pod nazwą Bluetooth występują dwa osobne standardy: BR (Basic Rate) oraz LE (Low Energy). Urządzenia Bluetooth mogą wspierać jeden z nich lub obydwa. Oba standardy definiują mechanizmy wyszukiwania urządzeń i nawiązywania oraz utrzymywania połączenia. Obydwa pracują w pasmie 2450 MHz, w 79 kanałach o szerokości 1 MHz od 2402 do 2480 MHz. Wykorzystywana jest modulacja GFSK [10]. Bluetooth BR cechuje się większą szybkością transmisji 721,2 kb/s oraz posiada dwa rozszerzenia: EDR (Enhanced Data Rate) z szybkością 2,1 Mb/s oraz AMP (Alternate MAC/PHY ), bazujące na standardzie IEEE z szybkością 54 Mb/s. BR definiuje warstwę fizyczną z FHSS, co pozwala uniknąć interferencji z innymi systemami pracującymi w tym samym pasmie częstotliwości. Częstotliwość modulacji w przypadku BR wynosi 1MHz, w przypadku EDR 2 lub 3 MHz. Urządzenia Bluetooth BR tworzą pikosieć (piconet), w której wszystkie współdzielą ten sam kanał częstotliwości i mają wspólny szablon przeskoku częstotliwości. Jeden z węzłów pikosieci pełni funkcję nadrzędną (master) i dostarcza zegarowy sygnał odniesienia oraz szablon przeskoku częstotliwości. Pozostałe węzły pełnią funkcję podrzędną (slave) i synchronizują się do sygnału zegarowego węzła nadrzędnego. Szablon prze-

25 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 25 skoku częstotliwości może być dynamicznie zmieniany dla uniknięcia interferencji z innymi systemami pracującymi w tym samym pasmie. Zajęte kanały są czasowo usuwane z szablonu. Fizyczny kanał jest podzielony na szczeliny czasowe, które są przydzielane do poszczególnych pakietów. Pełen dupleks (full duplex) zapewniany jest dzięki przełączaniu w przedziałach czasowych (TDD). Bluetooth LE przeznaczony jest do stosowania w systemach o niższej szybkości transmisji i niższej częstotliwości wysyłania pakietów. Częstotliwość modulacji wynosi 1 MHz. W Bluetooth LE stosowane są dwie metody wielodostępu: z podziałem częstotliwości (FDMA) oraz z podziałem czasu (TDMA). Schemat FDMA przewiduje 40 kanałów o szerokości 2 MHz. 37 wykorzystywanych jest do transmisji danych, pozostałe 3 są kanałami rozgłoszeniowymi. Protokół wielodostępu TDMA odpowiada za to, by węzły wysyłały pakiety w przydzielonej im szczelinie czasowej. Szczeliny czasowe mogą być przydzielone do wydarzeń (event) oraz rozgłoszeń (advertisement). Najważniejsze cechy standardów IEEE oraz Bluetooth Rozmiar sieci: maksymalnie 8 aktywnych węzłów w pikosieci (dodatkowo 255 nieaktywnych), zasięg transmisji do kilkudziesięciu metrów. Zużycie energii: niskie (Bluetooth BR), bardzo niskie (Bluetooth LE). Zakres częstotliwości: 2,4 GHz. Dostępność standardu: otwarty, publiczny. Stosowanie znaku Bluetooth wymaga dodatkowej certyfikacji. Producenci układów: wielu, między innymi Nordic Semiconductor, Texas Instruments, Microchip. Inne: podobnie jak w przypadku IEEE , standard Bluetooth jest powszechnie stosowany w urządzeniach konsumenckich i profesjonalnych, znacznie ułatwia to

26 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 26 integrację systemu pomiarowego z innymi systemami i urządzeniami. Podstawową topologią sieci jest gwiazda, jednak można budować sieci o topologii drzewa. Wyższe warstwy 7. AL dedykowana dedykowana 6. PL 5. SL 4. TL 3. NWK BT LE BT BR/EDR 2. DLL 1. PHY dedykowana IEEE Rysunek 1.6: Możliwości zastosowania standardów IEEE oraz Bluetooth w bezprzewodowych systemach pomiarowych Ponieważ standard Bluetooth definiuje wszystkie warstwy, zastępowanie warstw wyższych alternatywnymi nie jest uzasadnione. Proste systemy pomiarowe można zbudować bazując wyłącznie na warstwach niższych opisanych w standardzie IEEE Standardy Bluetooth BR/EDR oraz LE różnią się nie tylko warstwami niższymi, ale również wyższymi. Zastosowanie BT BR/EDR zapewni możliwość komunikacji ze starszymi urządzeniami przemysłowymi i konsumenckimi, jednak zużycie energii będzie większe. Zastosowanie BT LE pozwoli natomiast na zmniejszenie zużycia energii. Wszystkie powyższe możliwości przedstawiono na rysunku Standard IEEE IEEE jest standardem komunikacji bezprzewodowej wprowadzonym w 2003 roku. Definiuje on protokół oraz połączenie radiowe urządzeń pracujących w sieci o zasięgu osobistym (PAN, Personal Area Network). Komunikacja zgodna ze standardem IEEE ma być w założeniu stosowana w urządzeniach o bardzo ograniczonych zasobach mocy, prostych i tanich. Autorzy standardu przewidują, że zasięg transmisji przy maksymalnej szybkości transmisji będzie wynosił około 10 metrów wewnątrz budynku, z możliwym zwiększeniem kosztem szybkości transmisji.

27 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 27 zakres [MHz] , , Tablica 1.4: Zakresy częstotliwości dla warstwy fizycznej standardu IEEE [11] Standard IEEE definiuje warstwę fizyczną oraz podwarstwę sterowania dostępem do medium. W wydaniu IEEE dla warstwy fizycznej zdefiniowane są częstotliwości zebrane w tablicy 1.4. Do standardu IEEE wydano szereg nowelizacji, w tym między innymi: ˆ IEEE f definiująca dodatkowo warstwy fizyczne i częstotliwości dedykowane identyfikacji radiowej (RFID, Radio Frequency Identification), ˆ IEEE g wprowadzająca warstwy fizyczne i częstotliwości do pracy w otwartej przestrzeni, ˆ IEEE j wprowadzająca warstwę fizyczną i częstotliwości do stosowania w osobistych urządzeniach medycznych, ˆ IEEE k wprowadzająca warstwy fizyczne dedykowane urządzeniom monitorującym infrastrukturę krytyczną. Nie wszystkie częstotliwości przewidziane w standardzie mogą być stosowane na całym świecie ze względu na lokalne przepisy, na przykład pasmo 900 MHz w Europie zarezerwowane jest wyłącznie dla sieci komórkowych GSM. W niniejszej pracy, ze względu na obowiązujące w Polsce przepisy [12], opisywane i analizowane będą dwa zakresy częstotliwości: ˆ ,6 MHz, nazywany skrótowo 868 MHz 3, 3 W dokumentach IEEE [11] używana jest nazwa 868/915 MHz.

28 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 28 ˆ ,5 MHz, nazywany skrótowo 2,4 GHz. W zakresie częstotliwości 868 MHz określono trzy różne warstwy fizyczne [11]: ˆ Z bezpośrednim rozpraszaniem widma sekwencją kodową (DSSS) z binarną modulacją kluczowania fazy (BPSK), ˆ Z modulacją kwadraturową kluczowania fazy z przesunięciem (O QPSK) opcjonalna, ˆ Z modulacją BPSK oraz modulacją kluczowania amplitudy (ASK) opcjonalna. W zakresie częstotliwości 2,4 GHz określono dwie różne warstwy fizyczne [11]: ˆ Z bezpośrednim rozpraszaniem widma sekwencją kodową (DSSS) z modulacją O QPSK, ˆ Z rozpraszaniem widma sygnałem świergotowym (CSS) z różnicową modulacją kwadraturową kluczowania fazy z przesunięciem (DQPSK) opcjonalna. Standard definiuje wykorzystanie metody wielodostępu do łącza ze śledzeniem stanu nośnika i unikaniem kolizji (CSMA/CA). W standardzie przewidziano szybkość transmisji 250 kb/s w pasmie 2,4 GHz oraz 20 kb/s i 40 kb/s w pasmie 868 MHz. Najważniejsze cechy standardu IEEE Rozmiar sieci: w praktyce nieograniczona liczba węzłów, zasięg transmisji do kilkudziesięciu metrów. Zużycie energii: bardzo niskie. Zakres częstotliwości: w Europie 868 MHz oraz 2,4 GHz. Dostępność standardu: otwarty, publiczny. Producenci układów: wielu, między innymi Texas Instruments, Microchip, Atmel.

29 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 29 Inne: ważną cechą jest możliwość wyboru częstotliwości pracy, jednak jedyną częstotliwością, jaką można stosować na całym świecie pozostaje 2,4 GHz. Standard IEEE nie jest powszechnie implementowany w urządzeniach przemysłowych i konsumenckich. Wyższe warstwy 7. AL dedykowana dedykowana IEC LoWPAN dedykowana 6. PL 5. SL brak brak 4. TL TCP 3. NWK IEC IPv6 ZigBee 2. DLL warstwa adaptacji 1. PHY IEEE dedykowana Rysunek 1.7: Możliwości zastosowania standardu IEEE w bezprzewodowych systemach pomiarowych Standard IEEE może stanowić podstawę dla wielu różnych protokołów komunikacji, co przedstawiono na rysunku 1.7. Ponieważ wszystkie bardzo dobrze nadają się do stosowania w bezprzewodowych systemach pomiarowych, zostaną szerzej omówione. IEC WirelessHART rozszerza popularny standard HART stosowany w sieciach czujnikowych o możliwość komunikacji bezprzewodowej, bazującej na standardzie IEEE Standard IEC odwołuje się do norm IEC 61158, IEC WirelessHART przeznaczony jest do budowy sieci o architekturze dynamicznej siatki (dynamic mesh) złożonych z czujników oraz elementów wykonawczych, pracujących w środowisku przemysłowym, przy czym nie jest zalecany do instalacji odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. Urządzenia typu most (bridge) pozwalają w prosty sposób rozszerzać istniejącą sieć HART zbudowaną w oparciu o pętlę prądową 4 20mA o nowe węzły bezprzewodowe WirelessHART. Poza warstwą fizyczną urządzenia WirelessHART różnią się od urządzeń HART również sposobem zasilania (bateryjne) oraz częstotliwością odświeżania (od 1 sekundy do 60 minut). Należy zaznaczyć, że budowa urządzenia lub systemu zgodnego z IEC

30 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej może wiązać się z korzystaniem z międzynarodowych patentów należących do HART Communication Foundation (HCF). IEC jest standardem niepublicznym udostępniany jest odpłatnie [13]. 6LoWPAN jest standardem mającym zapewnić podłączenie do Internetu każdemu urządzeniu (Internet rzeczy, Internet of Things). Wykorzystuje protokół IPv6, który pozwala zaadresować 2 48, czyli 281 bilionów urządzeń. Dzięki kompresji nagłówków, mechanizmowi podziału i łączenia pakietów oraz automatycznej konfiguracji możliwe jest przekazywanie ruchu między protokołem IP a IEEE Standard 6LoWPAN obsługuje topologię siatki oraz gwiazdy [14, 15]. ZigBee jest standardem komunikacji bezprzewodowej mającym zapewnić niski koszt stosowania oraz niskie zużycie energii. Twórcy standardu przewidzieli, że będzie on stosowany między innymi w elektronice użytkowej, automatyce budynkowej, sterowaniu przemysłowym, peryferiach komputerowych, diagnostyce medycznej oraz rozrywce. Wspiera wszystkie topologie oferowane przez IEEE [16] ANT Standard ANT został stworzony przez firmę Dynastream Innovations. Początkowo jego głównym przeznaczeniem było stosowanie w urządzeniach biomedycznych związanych ze sportem i ochroną zdrowia, między innymi miernikach pulsu, pedometrach, prędkościomierzach rowerowych, przyrządach do ćwiczeń. Aktualna wersja specyfikacji [17] nie ogranicza zastosowań do tego obszaru, jednak standard ANT w dalszym ciągu jest powszechnie stosowany przede wszystkim w urządzeniach biomedycznych. Standard ANT definiuje cztery najniższe warstwy ISO OSI: fizyczną, łącza danych, sieciową i transportową. Jest to standard zamknięty, co oznacza, że dokładna specyfikacja nie jest publicznie dostępna. Aby stworzyć urządzenie elektroniczne z obsługą ANT, należy wykorzystać certyfikowane układy scalone realizujące tę obsługę. Występują one w dwóch wersjach: układ ANT z interfejsem UART oraz SoC z interfejsem programowania API.

31 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 31 Parametry transmisji Dokładne parametry transmisji oraz opis warstwy fizycznej protokołu ANT nie są jawne. Z dokumentacji [18, 19] wiadomo, że: ˆ możliwy jest wybór jednego z 79 kanałów fizycznych (od 2402 do 2480 MHz), ˆ urządzenie ANT może posiadać maksymalnie 8 kanałów logicznych, rozdzielanych na zasadzie wielodostępu z podziałem czasowym (TDMA, Time Division Multiple Access), ˆ zaimplementowane zostało wykrywanie kolizji (CD, Collision Detection), ˆ fizyczna szybkość transmisji (częstotliwość modulacji) wynosi 1 Mb/s, ˆ stosowana jest modulacja GFSK, ˆ maksymalna szybkość transmisji w trybie burst wynosi 20 kb/s (rzeczywista szybkość transmisji danych), ˆ w trybie rozgłoszeniowym (broadcast) maksymalna częstotliwość wymiany informacji wynosi 200 Hz, ˆ możliwe są następujące architektury sieci: punkt punkt, gwiazda, siatka (o stałej topologii). Należy zwrócić uwagę na znaczące podobieństwo ze standardem Bluetooth. Najważniejsze cechy standardu ANT Rozmiar sieci: 232 węzły, zasięg transmisji do kilkudziesięciu metrów. Zużycie energii: bardzo niskie. Zakres częstotliwości: 2,4 GHz. Dostępność standardu: zamknięty, niepubliczny.

32 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 32 Producenci układów: Instruments. Dynastream Innovations, Nordic Semiconductor, Texas Inne: standard ANT jest wspierany przez stale rosnącą liczbę urządzeń konsumenckich (telefony komórkowe i tablety), co znacznie ułatwia połączenie z siecią pomiarową przez użytkownika. Urządzenia ANT są optymalizowane pod kątem zastosowań przenośnych zasilanych bateryjnie, przeznaczonych do pomiaru sygnałów wolnozmiennych (ok kilku do kilkuset herców). Wyższe warstwy 7. AL 6. PL 5. SL 4. TL 3. NWK 2. DLL 1. PHY dedykowana dedykowana ANT+ ANT Rysunek 1.8: Możliwości zastosowania standardu ANT w bezprzewodowych systemach pomiarowych Podobnie jak Bluetooth, ANT definiuje również wyższe warstwy, co czyni stosowanie wyłącznie niższych warstw tego standardu nieuzasadnionym. Co więcej, przez zamkniętość standardu takie podejście może okazać się niewykonalne. Konstruktor projektujący system wykorzystujący ANT ma w praktyce dwa podejścia zbudować swoją aplikację w oparciu wyłącznie o ANT lub o rozszerzenie ANT+. Przedstawiono to na rysunku 1.8. ANT+ rozszerza standard ANT o profile urządzeń (podobnie jak w przypadku Bluetooth LE, jednak tutaj profile związane są przede wszystkim ze sportem i ochroną zdrowia) Wireless M Bus Standard europejski EN definiuje bezprzewodowy sposób odczytu wyników pomiarów. Dedykowany jest przede wszystkim systemom mierzącym zużycie mediów

33 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 33 (na przykład energii elektrycznej i cieplnej, wody, gazu). Jednym z głównych założeń standardu było, aby miernik mógł pracować i wysyłać wyniki pomiarów drogą radiową, w nielicencjonowanych pasmach dedykowanych telemetrii, przez cały okres swojego życia 4, bez konieczności obsługi oraz wymiany baterii. Standard definiuje dwa rodzaje urządzeń: miernik (meter) oraz inne urządzenie (other device). Miernik wysyła lub odbiera dane okresowo, przez większość czasu pozostaje w stanie uśpienia, priorytetem jest oszczędzanie energii. Inne urządzenie służy akwizycji danych, może być zasilane z sieci energetycznej (stacjonarne) lub z baterii (stacjonarne lub przenośne), przy czym zużycie energii może być znacznie większe niż w przypadku miernika. Parametry transmisji Standard definiuje warstwy fizyczne oraz warstwę łącza danych. Każdy węzeł zgodny z EN musi obsługiwać przynajmniej jeden z trybów pracy: Tryb stacjonarny S (stationary mode) optymalizowany pod kątem jedno- lub dwukierunkowej komunikacji między miernikiem a innym urządzeniem. Wykorzystuje pasmo 868,0 868,6 MHz z modulacją FSK. Szybkość transmisji wynosi 32,768 kb/s. Tryb częstego nadawania T (frequent transmit mode) optymalizowany pod kątem mierników nadających krótki pakiet z kilkusekundową częstością. Wykorzystuje pasmo 868,0 868,6 MHz (transmisja w kierunku od miernika ) oraz 868,7 869,2 MHz ( do miernika ) z modulacją FSK. Maksymalna szybkość transmisji wynosi 100 kb/s ( od miernika ). Tryb częstego odbierania R2 (frequent receive mode). Miernik w tym trybie co kilka sekund budzi się i oczekuje na nawiązanie transmisji przez inne urządzenie. Wykorzystuje pasmo 868,0 868,6 MHz z modulacją FSK. Szybkość transmisji wynosi 4,8 kb/s. 4 W praktyce ograniczony do 3 5 lat ze względu na konieczność okresowej legalizacji mierników.

34 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 34 Tryb kompaktowy C (compact mode). Podobny do trybu T, ale pozwala nadać większą ilość danych przy takim samym zużyciu mocy. Przeznaczony do odczytów przy pomocy rejestratora ręcznego lub zamontowanego w pojeździe. Dodatkowo możliwe jest odbieranie ramek typu T i C jednym odbiornikiem. Wykorzystuje pasmo 868,7 869,2 MHz z modulacją FSK ( od miernika ) oraz 869,4 869,65 MHz z modulacją GFSK ( do miernika ). Maksymalna szybkość transmisji wynosi 100 kb/s ( od miernika ). Wąskopasmowy tryb UKF N (narrowband VHF mode) optymalizowany do pracy w paśmie 169 MHz 5 do odczytu wskazań mierników oraz do transmisji dalekiego zasięgu, w tym transmisji z wieloma przeskokami. Wykorzystuje pasmo 169, ,475 MHz z modulacją GFSK lub 4GFSK. Maksymalna szybkość transmisji wynosi 19,2 kb/s. Tryb częstego nadawania i odbierania F (frequent receive and transmit mode). Wykorzystuje pasmo 433, ,790 MHz z modulacją FSK. Maksymalna szybkość transmisji wynosi 2,4 kb/s. Najważniejsze cechy standardu Wireless M Bus Rozmiar sieci: W jednej chwili sieć tworzą dwa węzły (miernik oraz inne urządzenie) lub więcej w przypadku transmisji z wieloma przeskokami. Sześciobajtowe adresowanie pozwala na praktycznie nieograniczoną liczbę węzłów. Zasięg transmisji wynosi kilkadziesiąt metrów w środowisku wewnątrzbudynkowym. Zużycie energii: zasilaniem bateryjnym (10 20 lat). bardzo niskie, standard przewiduje długi czas pracy miernika z Zakres częstotliwości: 868 MHz, 169 MHz, 433 MHz. 5 Pasmo 169 MHz do 2005 roku było przypisane usłudze ERMES (Enhanced Radio Messaging Systems), jednak ze względu na jej znikomą popularność obecnie zwolnione jest z opłat licencyjnych [20].

35 1.3. Przegląd istniejących standardów komunikacji bezprzewodowej 35 Dostępność standardu: dodatkowej certyfikacji. otwarty, niepubliczny. Stosowanie standardu wymaga Producenci układów: Texas Instruments. niewielu, między innymi Amber Wireless, Radiocrafts, Inne: Wireless M Bus jest silnie ukierunkowany na akwizycję danych z mierników zużycia mediów. Sieć oparta o Wireless M Bus musi być zdefiniowana w momencie budowy oraz musi mieć strukturę gwiaździstą lub punkt-punkt [21]. Wyższe warstwy 7. AL 6. PL 5. SL 4. TL 3. NWK dedykowana EN brak 2. DLL EN PHY EN dedykowana Rysunek 1.9: Możliwości zastosowania standardu Wireless M Bus w bezprzewodowych systemach pomiarowych Standard Wireless M Bus (EN ) jest bezprzewodowym rozszerzeniem standardu M Bus (EN 13757), więc oczywistym sposobem jego wykorzystania w systemach pomiarowych jest połączenie z warstwą aplikacji systemu M Bus (EN ). W szczególnych przypadkach można stosować niższe warstwy w połączeniu z własną aplikacją. Obydwie możliwości przedstawiono na rysunku Inne standardy Oprócz wyżej wymienionych standardów istnieją również inne, często opracowane przez producentów elementów elektronicznych, między innymi SMAC (Simple Media Access Controller) firmy Freescale, SPIRIT1 firmy ST Microelectronics. Zostały one pominięte w niniejszym zestawieniu ze względu na niewielką popularność oraz konieczność przywiązania do danego producenta.

36 1.4. Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej Wszystkie wymienione wcześniej standardy komunikacji bezprzewodowej znajdują zastosowanie w systemach pomiarowych. Wybór odpowiedniego standardu zależy przede wszystkim od wymagań stawianych budowanej sieci (patrz rozdział 1.1). Wszystkie z wymienionych pozwalają spełnić wstępne założenia pracy, dlatego konieczne jest dokładne porównanie, które pozwoli wyłonić najlepszy standard do zastosowania w niniejszej pracy. Porównanie standardów zawarto w tablicy 1.5. Z porównania tego można wyciągnąć następujące wnioski: ˆ większość standardów pracuje w pasmie 2,4 GHz, ˆ tylko dla dwóch standardów (IEEE , IEEE ) istnieje wsparcie dla obsługi topologii siatki, ˆ wszystkie standardy z wyjątkiem ANT są otwarte, ˆ wszystkie standardy z wyjątkiem związanych z telefonią komórkową nie wymagają zewnętrznej infrastruktury, ˆ standardy dedykowane sieciom czujnikowym cechują się znacznie niższą szybkością transmisji niż pozostałe. Z porównania wynika, że najodpowiedniejszy do zastosowania w niniejszej pracy jest standard IEEE Charakteryzuje się bardzo dużą energooszczędnością, co jest bardzo istotne ze względu na bateryjne zasilanie węzłów, oraz posiada wsparcie dla sieci o topologii siatki, co znacznie ułatwia budowę złożonych sieci lub sieci z ruchomymi węzłami.

37 1.4. Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej 37 Standard GSM IEEE IEEE IEEE ANT Wireless M Bus Energooszczędność średnia średnia dobra wybitna dobra wybitna Częstotliwości pracy różne 2,4 GHz, 5 GHz 2,4 GHz różne 2,4 GHz 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz Standard otwarty tak tak tak tak nie tak Wymaga zewnętrznej tak nie nie nie nie nie infrastruktury Popularny w urządzeniach bardzo bardzo bardzo nie średnio nie elektronicznych Topologie PP/G/D/S a nie dotyczy +/+/+/+ +/+/-/- +/+/+/+ +/+/-/- +/+/-/- Maksymalna szybkość 300 Mb/s 600 Mb/s 2,1 Mb/s 250 kb/s 20 kb/s 100 kb/s transmisji Dostępność gotowych duża duża duża duża średnia mała modułów Dostępność gotowych średnia duża duża duża średnia mała bibliotek Dedykowany sieciom nie nie nie tak tak tak czujnikowym Tablica 1.5: Porównanie standardów komunikacji bezprzewodowej a PP punkt-punkt, G gwiazda, D drzewo, S siatka

38 Rozdział 2 Budowa węzła sieci Tworząc założenia projektowe dla sieci, przyjęto, że wszystkie węzły, niezależnie od roli w sieci, będą bardzo podobne pod względem sprzętowym. Projektując węzeł sieci, skupiono się przede wszystkim na jak najlepszym spełnieniu ogólnych założeń projektowych (patrz rozdział 1.1). Rysunek 2.1: Ogólny schemat budowy węzła sieci Ogólny schemat węzła przedstawiono na rysunku 2.1. Sercem węzła jest układ sterujący mikrokontroler, który steruje pracą pozostałych bloków. Zadaniem większo- 38

39 2.1. Jednostka sterująca oraz układ radiowy 39 ści węzłów jest odczytywanie danych z czujników. Dane mogą być przechowywane w pamięci nieulotnej, przesłane do innego węzła za pośrednictwem układu radiowego lub przekazane do systemu nadrzędnego. 2.1 Jednostka sterująca oraz układ radiowy Na rynku dostępnych jest bardzo wiele mikrokontrolerów różniących się architekturą, zasobami oraz układami peryferyjnymi. Przy wyborze jednostki sterującej kierowano się przede wszystkim łatwością implementacji stosu zgodnego z IEEE , czyli dostępnością bibliotek programowych. Takie podejście jest słuszne ze względu na znaczną złożoność standardu IEEE i pozwala konstruktorowi skupić się na tworzeniu oprogramowania odpowiedzialnego za funkcjonalność sieci. Producenci mikrokontrolerów oraz układów i modułów radiowych proponują następujące rodzaje rozwiązań: Mikrokontroler współpracujący z oddzielnym układem radiowym i torem radiowym. Takie podejście daje konstruktorowi największą swobodę projektowania, jednak wymaga najwięcej pracy. Jego stosowanie sprawdza się w przypadku urządzeń wielkoseryjnych, gdzie opłacalne jest obniżenie kosztów produkcji poprzez zastosowanie najtańszych elementów kosztem pracy projektantów oraz w przypadku urządzeń o przeznaczeniu specjalistycznym, gdzie tylko dedykowane rozwiązanie może sprostać wymaganiom projektowym. Mikrokontroler ze zintegrowanym układem radiowym i zewnętrznym torem radiowym. Rozwiązanie takie znacznie ułatwia pracę konstruktora, ponieważ zazwyczaj producent takiego układu dostarcza gotowe biblioteki programowe do obsługi komunikacji radiowej, jednak konieczne jest zaprojektowanie toru radiowego. Stosowanie takiego podejścia jest uzasadnione w przypadku urządzeń o bardzo małych gabarytach zintegrowanie mikrokontrolera z układem radiowym na poziomie układu scalonego pozwala zmniejszyć wymaganą powierzchnię obwodu drukowanego.

40 2.1. Jednostka sterująca oraz układ radiowy 40 Moduł zawierający mikrokontroler, układ radiowy oraz tor radiowy. Użycie takiego modułu zdejmuje z konstruktora konieczność projektowania toru radiowego oraz znacznie ułatwia tworzenie oprogramowania dzięki gotowym bibliotekom programowym. Takie rozwiązanie stosowane jest w przypadku urządzeń małoseryjnych lub jednostkowych, nie mających wyśrubowanych wymagań dotyczących funkcjonalności i rozmiarów. W niniejszej pracy zdecydowano się zastosować ostatnie z wymienionych rozwiązań moduł z mikrokontrolerem oraz układem i torem radiowym, ponieważ projektowany system nie ma wyśrubowanych wymagań funkcjonalnych, a wymagane wymiary nie zostały z góry narzucone. Moduły takie oferowane są przez wielu znaczących producentów, zestawienie zaprezentowano w tablicy 2.1. Spośród wymienionych tylko dwie firmy (Atmel oraz Digi) oferują moduły mogące pracować w pasmie 868 MHz, które nie jest tak powszechnie wykorzystywane jak 2,4 GHz i pozwala uniknąć zakłóceń pochodzących z innych sieci. Z tych dwóch rodzin modułów wybrano ZigBit firmy Atmel zastosowany mikrokontroler (ATmega 1281) ma więcej pamięci oraz układów peryferyjnych niż HCS 08 (stosowany w modułach XBee), ponadto wszystkie moduły z rodziny ZigBit mają jednakowy rozkład wyprowadzeń. Dodatkową zaletą modułów ZigBit jest występowanie wersji z różnym torem radiowym, co pozwala w łatwy sposób przeprowadzić dodatkowe badania i wybrać optymalne rozwiązania. Parametry wybranej rodziny modułów są następujące: ˆ mikrokontroler ATmega 1281: 128 kib FLASH, 8 kib RAM, 4 kib EEPROM, częstotliwość taktowania 4 MHz, ˆ peryferia: 9 GPIO, 4 ADC, UART, USART, I 2 C, SPI, 1 Wire, ˆ układ radiowy: AT86RF212 (868 MHz), AT86RF230 (2,4 GHz), ˆ tor radiowy: wyjście symetryczne (868 MHz i 2,4 GHz), antena chip, gniazdo U.FL (2,4 GHz), ˆ oprogramowanie: boot loader, biblioteki IEEE MAC, RF4CE, ZigBee.

41 2.1. Jednostka sterująca oraz układ radiowy 41 Producent Moduł Mikrokontroler Układ radiowy Tor radiowy Biblioteki programowe Anaren Atmel A2530E24xx, A2530R24xx ATZB 900 B0 Digi XBee 8051 (8 bit) Texas Instruments CC2530 (2,4 GHz) Atmel ATZB 24 xx ATmega 1281 (8 bit) AT86RF230 (2,4 GHz) NXP JN Mxx ST SPZB32W antena PCB, złącze U.FL AT86RF212 (868 MHz) wyjście symetryczne Analog Devices Freescale HCS 08 (8 bit) a ADF7023 (868 MHz), niejawny (2,4 GHz) NXP JN5168 (32 bit) STM32W (32 bit) NXP JN5168 (zintegrowany 2,4 GHz) STM32W (zintegrowany, 2,4 GHz) wyjście symetryczne, antena chip, gniazdo U.FL antena drutowa, antena PCB, antena chip, złącze U.FL, złącze RPSMA, wyjście asymetryczne antena PCB, złącze U.FL antena chip, gniazdo U.FL Anaren AIR ZNP IEEE MAC, RF4CE, ZigBee ZigBee Stack IEEE MAC, RF4CE, ZigBee IEEE MAC Tablica 2.1: Zestawienie modułów radiowych wspierających standard IEEE a w tabeli umieszczono dodatkowy mikrokontroler programowalny. Jednostką sterującą modułu jest 32 bitowy EFM32 firmy Silicon Labs (Energy Micro)

42 2.1. Jednostka sterująca oraz układ radiowy Wersje urządzenia Aby zapewnić możliwość przeprowadzenia różnorodnych badań i wybrania optymalnej konfiguracji układu radiowego, urządzenie wykonano w czterech wersjach, różniących się torem radiowym (typem modułu): CHIP 24 Zintegrowana podwójna antena typu chip, 2,4 GHz Jest to najprostsza wersja urządzenia, zbudowana w oparciu o moduł ze zintegrowaną podwójną anteną typu chip. Jej zaprojektowanie nie wymaga od konstruktora urządzenia znajomości zagadnień wielkich częstotliwości. Takie rozwiązanie pozwala skrócić do minimum czas projektowania i certyfikacji urządzenia, zapewnia również niską cenę produkcji, jednak charakteryzuje się najmniejszym zasięgiem transmisji spośród opisywanych rozwiązań [22]. Typ modułu: ATZB 24 A2 Oczekiwany bilans łącza: 104 db UFL 24 Dodatkowy wzmacniacz RF i gniazdo U.FL, 2,4 GHz Również prosta wersja urządzenia wykorzystująca moduł zawierający wzmacniacz RF oraz gniazdo antenowe typu U.FL. Taki moduł wymaga od projektanta jedynie dobrania odpowiedniej anteny. Czas projektowania jest identyczny jak w przypadku modułu ze zintegrowaną anteną typu chip, jednak procedura certyfikacji jest bardziej złożona ze względu na konieczność zbadania współpracy modułu z wybraną anteną. Rozwiązanie takie jest najdroższe w produkcji, jednak pozwala uzyskać największy zasięg transmisji [23]. Typ modułu: ATZB 24 UFL Oczekiwany bilans łącza: 124 db

43 2.2. Tor radiowy 43 SMA 24 oraz SMA 868 Wyjście symetryczne, 2,4 GHz oraz 868 MHz Najbardziej złożona wersja urządzenia, zawierająca moduły z symetrycznym wyjściem radiowym. Jej zaprojektowanie wymaga największego wysiłku i wiedzy od konstruktora, jednak zapewnia dużą elastyczność oraz potencjalnie duży zasięg transmisji przy zachowaniu umiarkowanej ceny. Wymaga zaprojektowania całego toru radiowego wraz z doborem elementów oraz certyfikacji całego urządzenia. Węzeł w wersji SMA 24 nie został wykonany ze względu na wycofanie z produkcji modułu ATZB 24 B0 [22, 24]. Typ modułu: ATZB 24 B0 (2,4 GHz), ATZB 900 B0 (868 MHz) Oczekiwany bilans łącza: 104 db (2,4 GHz), 120 db (868 MHz) 2.2 Tor radiowy Zewnętrzny tor radiowy występuje jedynie w wersjach SMA 24 oraz SMA 868. Aby ograniczyć liczbę wersji obwodu drukowanego, zdecydowano się zastosować dedykowane układów integrujące w sobie filtr oraz transformator symetryczno asymetryczny (balun) 0896FB15A0100 oraz 2450FB15L0001 firmy Johanson Technology [25, 26] (odpowiednio dla pasma 868 MHz oraz 2,4 GHz). RFP RFP RFN RFN (a) (b) Rysunek 2.2: Schemat toru radiowego. a) w wersji 868 MHz, b) w wersji 2,4 GHz. Na schemacie dla uproszczenia zaznaczono transformator, jednak faktycznie jest to transformator ze zintegrowanymi filtrami. Uproszczony schemat toru radiowego przedstawiono na rysunku 2.2. W schemacie

44 2.3. Komunikacja z systemem nadrzędnym 44 uwzględniono obydwa kondensatory, jeden z nich jest zastępowany zworą, w zależności od wersji montażu. Do podłączenia anteny przewidziano złącze SMA. 2.3 Komunikacja z systemem nadrzędnym W bezprzewodowych systemach pomiarowych do komunikacji z systemem nadrzędnym (najczęściej komputerem PC) wykorzystuje się różne standardy komunikacji, na przykład USB, RS-232, Ethernet. Ze względu na powszechne występowanie portu USB w komputerach zdecydowano się zastosować ten standard. USB posiada jeszcze jedną istotną zaletę pozwala na zasilanie urządzenia podrzędnego przez urządzenie nadrzędne, dzięki czemu stał się de facto standardem zasilania urządzeń przenośnych. Oznacza to, że do zasilania węzła (na przykład koordynatora sieci) można wykorzystać standardowy zasilacz sieciowy wyposażony we wtyk USB Mini B. Ponieważ użyty mikrokontroler nie jest wyposażony w interfejs USB, konieczne było zastosowanie konwertera USB UART. Wybrano układ FT230X, najmniejszy i najprostszy układ tego typu w ofercie firmy Future Technology Devices International. Jest to prosty, pojedynczy, dwukierunkowy konwerter USB UART z kontrolą transmisji RTS/CTS. Poza niewielkim rozmiarem i niską ceną ma jeszcze jedną istotną zaletę wbudowany generator sygnału zegarowego, więc nie wymaga zewnętrznego rezonatora kwarcowego, co pozwala zaoszczędzić miejsce na obwodzie drukowanym. Istotne jest również istnienie sterowników dla najpopularniejszych systemów operacyjnych (Windows, Linux, MACOS) [27]. 2.4 Zasilanie System zasilania węzła zaprojektowano, kierując się zasadą maksymalnej efektywności energetycznej. Schemat zasilania węzła przedstawiono na rysunku 2.3.Węzeł może być zasilany z dwóch źródeł: przez port USB lub z baterii. Gdy urządzenie zasilane jest z portu USB, oszczędzanie energii nie jest priorytetem, stąd zdecydowano się na zastosowanie prostego stabilizatora liniowego MCP1700, obniżającego napięcie z zakresu 4,4 5,2 V do wartości 3,3 V. W przypadku, gdy brak jest zasi-

45 2.4. Zasilanie 45 USB 4,4,,5,2,V stabilizator liniowy 3,3,V 1,8,,3,2,V baterie 2x,LR03 przetwornica podwyższająca ADC 3,2,V kontrola napięcia baterii sterowanie zasilaniem Rysunek 2.3: Schemat zasilania węzła. Szarym kolorem oznaczono elementy opcjonalne lania z USB, urządzenie zasilane jest z baterii. Do zasilania modułu wybrano dwie baterie w standardzie LR03/AAA połączone szeregowo. Pojedyncza bateria alkaliczna, w pełni naładowana, dostarcza napięcia około 1,6 V i w miarę zużycia jej napięcie spada do około 0,9 V, poniżej którego nie nadaje się do użycia [28]. Przy połączeniu szeregowym dwóch takich baterii otrzymuje się napięcie z zakresu 1,8 3,2 V. Moduł radiowy z mikrokontrolerem może działać przy napięciach z zakresu 1,8 3,6 V, więc może być zasilany bezpośrednio z baterii. Jednak inne układy wymagają wyższego napięcia, przeważnie od 2,4 V. Dodatkowo czujniki są wrażliwe na zmiany wartości napięcia zasilania, ich zasilanie powinno być stabilizowane. Stąd zdecydowano się na zastosowanie przetwornicy podwyższającej napięcie MCP1640 włączanej i wyłączanej przez mikrokontroler. Dzięki temu przetwornica może być włączana na czas wykonania pomiarów oraz nawiązywania komunikacji radiowej, a przez większość czasu wyłączona, pobierając prąd poniżej 1 µa. Wyprowadzenia baterii podłączono do wejścia przetwornika A/C mikrokontrolera, aby umożliwić monitorowanie poziomu rozładowania baterii.

46 2.5. Pamięć nieulotna Pamięć nieulotna Aby zapewnić dużą elastyczność projektowanego systemu, nie przyjęto szczegółowych założeń dotyczących pamięci nieulotnej. Urządzenie zaprojektowano w ten sposób, by było możliwe zamontowanie dowolnej pamięci z interfejsem SPI, w obudowie SOIC 8, o typowym rozkładzie wyprowadzeń. Przykłady takich pamięci przedstawiono w tablicy 2.2. Typ Producent Model Pojemność [kib] FRAM Cypress FM25Lxx Fujitsu MB85RSxx EEPROM Atmel AT25xx xx Flash Microchip SST25xx NVSRAM 23LCVxx Cypress CY14Bxx Tablica 2.2: Przykłady pamięci, które można zastosować w systemie 2.6 Czujniki W urządzeniu zastosowano czujnik temperatury i wilgotności SHT11 firmy Sensirion (który można zastąpić czujnikiem o wyższej dokładności z rodziny SHT1X) oraz czujnik ciśnienia MPL115A2 firmy Freescale. Dodatkowo na złącze typu Euro- Style wyprowadzono wejścia trzech kanałów przetwornika A/C oraz interfejs 1 Wire, umożliwiający dołączenie dodatkowych czujników, na przykład DS18B20. Zestawienie czujników i wejść przedstawiono w tablicy 2.3. Czujnik/Złącze Mierzona wielkość Zakres Dokładność Sensirion SHT11 Temperatura ,8 C ± 0,4 C Wilgotność względna % ± 3,0 % Freescale MPL115A2 Ciśnienie bezwzględne kpa ± 1,0 kpa Wejście ADC Napięcie (3 kanały) 0 3,3 V ± 6 mv Złącze 1 Wire Możliwość dołączenia czujników z interfejsem 1 Wire Tablica 2.3: Zestawienie czujników i złączy wchodzących w skład węzła

47 2.7. Projekt obwodu drukowanego Projekt obwodu drukowanego Po wybraniu poszczególnych elementów urządzenia pierwotny schemat (patrz rysunek 2.1) uległ modyfikacjom i wygląda jak na rysunku 2.4. Bloki komunikacji z Rysunek 2.4: Szczegółowy schemat budowy węzła sieci. Kolorem szarym oznaczono elementy opcjonalne systemem nadrzędnym, zasilania sieciowego oraz pamięci nieulotnej oznaczono jako opcjonalne nie muszą być stosowane w węzłach o zasilaniu bateryjnym, które bezpośrednio po wykonaniu pomiaru przekazują wynik do innego węzła. W praktyce zasadne może być również wykonanie węzła wyposażonego w blok zasilania sieciowego, jednak pozbawionego czujników, pamięci nieulotnej oraz bloku komunikacji z systemem nadrzędnym. Taki węzeł może pełnić funkcję przekaźnika (repeater), czyli dodatkowego węzła pozwalającego zwiększyć rozmiar sieci. Przy projektowaniu obwodu drukowanego przyjęto następujące założenia: ˆ umożliwienie jak najlepszych warunków pracy toru radiowego i anteny, ˆ minimalizacja liczby wersji obwodu drukowanego (patrz rodział 2.2), ˆ możliwość zastosowania niewielkiej, typowej obudowy.

48 2.7. Projekt obwodu drukowanego 48 Projekt schematu ideowego oraz obwodu drukowanego wykonano w programie Altium Designer w wersji Summer 09. Program ten wybrano po dokonaniu porównania z programami konkurencyjnymi 1 przede wszystkim ze względu na możliwość dzielenia schematu na bloki, edycji mozaiki ścieżek bez powiązania ze schematem oraz ułatwione tworzenie elementów bibliotecznych. Proces projektowania Pracę ze środowiskiem Altium Designer rozpoczęto od skonfigurowania środowiska, przede wszystkim wybrano siatkę metryczną oraz typowy, stosowany w Europie rozmiar papieru A4. Po skonfigurowaniu środowiska utworzono nowy projekt i rozpoczęto tworzenie elementów bibliotecznych. Utworzono osiem bibliotek zawierających powiązane ze sobą symbole schematu ideowego i rozkłady pól lutowniczych: ZigBit zawierająca dwa elementy: ATZB 24 A2, odpowiadający modułowi ZigBit o tej samej nazwie oraz ATZB ALL, zawierający wszystkie wyprowadzenia wszystkich wersji modułu. Dzięki wykonaniu elementu ATZB ALL nie jest konieczne umieszczanie różnych wersji elementów jeden na drugim, co powodowałoby zgłoszenie dużej liczby błędów przez środowisko. Passive zawierająca elementy pasywne oraz złącza. Elementy pasywne to rezystor (Res), kondensator (Cap), ferryt (Ferrite) w obudowach w rozmiarze 1608 (1,6 x 0,8 mm); cewka indukcyjna w obudowach o rozmiarze 4,0 x 3,9 mm oraz 6,3 x 4,2 mm; dioda w rozmiarze MELF 3,5 x 1,5 mm; rezonator kwarcowy do montażu powierzchniowego. Złącza to terminale Eurostyle o 3 i 5 wyprowadzeniach oraz złącza szpilkowe w rastrze 2,54 mm o 6, 8 i 10 wyprowadzeniach. Dodatkowo w bibliotece umieszczono element Testpoint, czyli pole testowe. Stanowi on fragment miedzi nie pokryty maską lutowniczą i podpisany symbolem, który ułatwia uruchamianie urządzenia. SHT11 zawierająca wyłącznie czujnik SHT1x. Należy zwrócić uwagę na zasuge- 1 Eagle, DesignSpark PCB, KiCad

49 2.7. Projekt obwodu drukowanego 49 warstwa górna warstwa dolna Rysunek 2.5: Przykład użycia elementu SHT1x w projekcie obwodu drukowanego rowane przez producenta w karcie katalogowej wycięcie w warstwie miedzi zarówno na górnej, jak i dolnej warstwie zmniejszające bezwładność cieplną czujnika [29]. Aby w prosty sposób osiągnąć pożądany efekt, wykorzystano warstwę Keep Out. Przykład użycia tego elementu w projekcie obwodu drukowanego przedstawiono na rysunku 2.5. Microchip zawiera układy MCP1640 w obudowie SOT 23 oraz MCP2200 w obudowie SOP 20. W projekcie wykorzystano jeszcze jeden układ firmy Microchip MCP1700, jednak gotowy element jest już dostępny w bibliotece Microchip Power Mgt Line Regulator dostarczonej ze środowiskiem Altium Designer. FTDI zawiera jeden element, FT230X w obudowie SOP 16. Balun zawiera jeden element, odpowiadający zarówno układowi 0896FB15A0100, jak i 2450FB15L0001. Podczas projektowania kształtu pól lutowniczych wzięto pod uwagę, że urządzenia będą lutowane ręcznie, a układy nie posiadają tradycyjnych metalowych wyprowadzeń, lecz kontakty na spodzie obudowy, nieznacznie tylko zachodzące na jej boki. W związku z tym przedłużono pola lutownicze tak, aby lutowanie ręczne było łatwiejsze. Memory zawiera element odpowiadający typowej pamięci z szeregowym interfejsem SPI w obudowie SOP 8. Freescale zawiera element MPL115A2. Podobnie jak w przypadku zastosowanych układów balun, układ ten posiada kontakty wyłącznie po spodniej stronie obudowy,

50 2.7. Projekt obwodu drukowanego 50 Rysunek 2.6: Zdjęcie zamontowanego układu MPL115A2 nie zachodzące nawet na jej boki. W tym przypadku również wydłużono pola lutownicze. Przykład zamontowanego układu MPL115A2 przedstawiono na rysunku 2.6. Projektowanie rozpoczęto od stworzenia schematu ideowego. Skorzystano z możliwości dzielenia schematu na bloki w programie Altium Designer i wydzielono 4 bloki: Zigbit zawierający moduł Zigbit, złącza do programowania (P4 AVR ISP, P2 AVR JTAG) oraz układy towarzyszące (rezystory, kondensatory oraz układy tworzące tor radiowy). Periph zawierający czujniki, pamięć oraz złącza Eurostyle. Communication zawierający złącze USB, złącze szpilkowe UART (P3) oraz konwerter USB UART. Power liniowy. zawierający baterie, przetwornicę podwyższającą napięcie oraz stabilizator Każdy z bloków umieszczono na oddzielnej stronie schematu. Takie podejście do tworzenia schematu ideowego jest bardziej pracochłonne, niż łączenie połączeń znajdujących się na różnych stronach przez nazwy, lecz dzięki zastosowaniu bloków schemat jest bardziej czytelny. Ponadto podział na bloki wymusza przemyślane grupowanie elementów na stronach.

51 2.7. Projekt obwodu drukowanego 51 15,5 (2x) 75,5 R2 (2x) 48,6 58,7 75,4 90,4 106,9 Rysunek 2.7: Rzut z góry obudowy KM 54p z wrysowaną płytką obwodu drukowanego. Przygotowano na podstawie dokumentacji firmy Maszczyk Wymiary i obudowa Biorąc pod uwagę rozmiar największych elementów urządzenia, czyli baterii oraz modułu ZigBit, wybrano popularną obudowę KM 54p firmy Maszczyk o rozmiarach 90,4 x 63,7 x 22,6 mm. Aby możliwe było umieszczenie złączy jak najbliżej krawędzi obudowy, zdecydowano się na zastosowanie płytki drukowanej w kształcie prostokąta ze ściętymi rogami. Obrys obudowy wraz z kształtem płytki drukowanej przedstawiono na rysunku Rozmieszczenie elementów Przed rozmieszczeniem elementów podzielono je na następujące grupy: Zakłócające mogące emitować silne zakłócenia elektromagnetyczne. Do tej grupy należy przetwornica impulsowa (układ sterujący oraz komponenty). Wrażliwe A/C. na zakłócenia elektromagnetyczne czujniki oraz kanały przetwornika

52 2.7. Projekt obwodu drukowanego 52 Radiowe wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne i dodatkowo wymagające szczególnej uwagi przy prowadzeniu płaszczyzn masy. Ekranujące zawierające duże płaszczyzny przewodzące, które mogą pochłaniać energię fali elektromagnetycznej. Do grupy tej zaliczają się baterie. Niewrażliwe pozostałe układy cyfrowe, nie emitujące silnych zakłóceń elektromagnetycznych. W tej grupie znajdują się przede wszystkim pamięć oraz układ komunikacji USB UART. Zakłócające Radiowe Ekranujące Niewrażliwe Niewrażliwe Wrażliwe Rysunek 2.8: Rozmieszczenie grup elementów na obwodzie drukowanym Rozmieszczenie grup elementów zilustrowano na rysunku 2.8. Układy radiowe odsunięto od zakłócających oraz baterii (ze względu na antenę), ponadto od układów zakłócających odsunięto układy wrażliwe. Układy niewrażliwe umieszczono w pozostałym miejscu, aby ułatwić prowadzenie ścieżek. Moduł z układem radiowym umieszczono tak, aby niezależnie od wersji wyprowadzenia wspólne dla wszystkich wersji modułu znalazły się w tym samym miejscu. Dzięki temu udało się ograniczyć liczbę wersji obwodu drukowanego do dwóch. W pierwszej kolejności zaprojektowano wersję dla węzłów UFL 24, SMA 24 oraz SMA 868 z wykorzystaniem stworzonego

53 2.7. Projekt obwodu drukowanego 53 VCC Rf=f0fwfwersjif868-SMA Cfwfwersjif24-SMA GND RFP GND RFN GND Interfejsfradiowy wersjif868-sma if24-sma transformator zffiltermfdlafwersji 868-SMAfif24-SMA L C C Rf=f0 Rf=f0 C C L Filtracjafzasilania dlafwersjif24-ufl ZłączefSMA GND NC GND Cfwfwersjif868-SMA Rf=f0fwfwersjif24-SMA Filtracjafzasilania dlafwersjif24-ufl VCC GND Pola lutownicze wersji 24-UFL GND GND GND Rysunek 2.9: Fragment obwodu drukowanego realizujący tor radiowy elementu bibliotecznego ATZB ALL. Mozaikę ścieżek i rozkład pól lutowniczych zaprojektowano tak, aby obwód drukowany można było obsadzić elementami w dwóch wersjach. Aby na tym samym obwodzie drukowanym można było zamontować również moduł w wersji ze wzmacniaczem i gniazdem U.FL, zapewniono dodatkowe pola lutownicze oraz zasilanie wraz z filtracją. Fragment tej wersji obwodu drukowanego przedstawiono na rysunku 2.9. Drugą wersję obwodu drukowanego, przeznaczoną do montażu modułów ze zintegrowaną anteną typu chip, opracowano przez usunięcie ścieżek oraz pól lutowniczych dedykowanych zewnętrznemu torowi radiowemu oraz zasilaniu wzmacniacza. Usunięto również część płaszczyzny masy bezpośrednio przylegającą do anteny. Należy zaznaczyć, że moduł z anteną typu chip mógłby być montowany również na pierwszej wersji obwodu drukowanego, jednakże ze względu na bliskość ścieżek i płaszczyzny masy do anteny zasięg transmisji byłby znacznie ograniczony. Schemat ideowy, widok mozaiki ścieżek obwodów drukowanych oraz lista elementów stanowią załącznik do niniejszej pracy.

54 2.8. Dodatkowe złącza Dodatkowe złącza Na obwodzie drukowanym przewidziano miejsce do zamontowania dodatkowych złączy szpilkowych, nie wymaganych do pracy urządzenia: ˆ P4 AVR ISP 6p, ˆ P2 AVR JTAG 10p, ˆ P3 UART. MISO 1 2 VCC SCK 3 4 MOSI RESET 5 6 GND TCK 1 2 GND TDO 3 4 VCC TMS 5 6 RESET NC 7 8 NC TDI 9 10 GND TX 1 2 RX RTS 3 4 CTS GND 5 6 VCC P4 P2 P3 Rysunek 2.10: Wyprowadzenia dodatkowych złączy Złącza te mogą być wykorzystywane do programowania oraz uruchamiania urządzenia. Rozkład ich wyprowadzeń przedstawiono na rysunku Gotowy węzeł Wykonano dwie iteracje obwodu drukowanego. Pierwsza próbna płytka została wykonana metodą termotransferu przy użyciu papieru kredowego oraz trawienia w roztworze nadsiarczanu sodu (B327). Elementy były lutowane ręcznie, przelotki wykonano z drutu miedzianego srebrzonego. Tę wersję przedstawiono na rysunku Doświadczenia z tą wersją pozwoliły uniknąć błędów w kolejnej. W wersji tej: ˆ przemieszczono moduł radiowy ze środka obwodu do boku, co pozwoliło zwiększyć dostępną przestrzeń dla innych układów; ˆ wymieniono konwerter USB UART zamiast MCP2200 zastosowano FT 230X, który nie wymaga zewnętrznego rezonatora kwarcowego; ˆ zwiększono odstęp pomiędzy uchwytami baterii, aby uniknąć możliwości zwarcia;

55 2.9. Gotowy węzeł 55 Rysunek 2.11: Zdjęcie pierwszej wersji węzła bez obudowy zastąpiono dodatkowe złącza w rastrze 2 mm bardziej popularnymi złączami w rastrze 2,54 mm. Drugą wersję obwodu drukowanego zlecono do wykonania profesjonalnemu producentowi obwodów drukowanych. Elementy montowano z użyciem lutownicy ręcznej przy pomocy stopu cyny z ołowiem (Sn40Pb60), w przypadku elementów o niewielkim rozmiarze pól kontaktowych zastosowano dodatkowo płynny topnik oraz lutownicę na gorące powietrze. Na rysunkach 2.12, 2.14, 2.13 przedstawiono widok gotowego, zmontowanego węzła, odpowiednio w wersji 24 CHIP, 24 UFL, 868 SMA. Najważniejsze parametry urządzenia zebrano w tablicy 2.4.

56 2.9. Gotowy węzeł Rysunek 2.12: Zdjęcie węzła w wersji 24 CHIP Rysunek 2.13: Zdjęcie węzła w wersji 24 UFL 56

57 2.9. Gotowy węzeł 57 Rysunek 2.14: Zdjęcie węzła w wersji 868 SMA Zasilanie Czujniki Wejście ADC Wejście/wyjście cyfrowe Komunikacja z systemem nadrzędnym USB (wirtualny port szeregowy) Dodatkowe wejścia/wyjścia Wymiary zewnętrzne Anteny 5,0 V DC Micro USB B 3,0 V DC Baterie 2x LR03 Temperatura 123,8 C ± 0,4 C Wilgotność względna % ± 3,0 % Ciśnienie bezwzględne kpa ± 1,0 kpa 3 kanały 0 3,3 V ± 6 mv Wyprowadzenia: 1: VCC, 2 4: kanały 1 3, 5: GND 1 Wire Wyprowadzenia: 1: VCC, 2: 1 Wire, 3: GND AVR JTAG AVR ISP UART 90,4 x 63,7 x 31,6 mm bez anteny i mocowania Wewnętrzna Zewnętrzna SMA Zewnętrzna U.FL Tablica 2.4: Podstawowe parametry węzła sieci

58 Rozdział 3 Oprogramowanie Podczas tworzenia niniejszej pracy powstały trzy wersje oprogramowania. Oprogramowanie próbne pozwalające potwierdzić działanie części sprzętowej projektu. Jedynym wymaganiem jest jak najkrótszy czas przygotowania, więc oprogramowanie próbne stanowi nieznacznie zmodyfikowany program przykładowy Basic Sensor Network dostarczony wraz z biblioteką IEEE MAC Software Package v firmy Atmel. Ta wersja nie jest szerzej opisywana w niniejszej pracy. Oprogramowanie docelowe przygotowane pod kątem optymalnej pracy sieci czujnikowej. Istotnym parametrem jest oszczędzanie energii, więc konieczne jest ograniczenie złożoności obliczeniowej. Funkcje diagnostyczne są obecne podczas tworzenia oprogramowania, jednak w końcowej wersji zostały ograniczone lub usunięte. Oprogramowanie jest szerzej opisane w dalszej części rozdziału. Oprogramowanie badawcze przeznaczone do badania zbudowanej sieci. Musi umożliwiać prostą zmianę określonych parametrów pracy oraz rozbudowane opcje diagnostyczne. Ponadto konieczne jest, aby użytkownik miał wpływ na wszystkie parametry pracy. Ta wersja również jest szerzej opisana w dalszej części rozdziału. 58

59 3.1. Środowisko sprzętowo programowe Środowisko sprzętowo programowe Oprogramowanie było tworzone na komputerze PC pracującym pod kontrolą systemu operacyjnego Linux. Do pracy wykorzystano popularne środowisko programistyczne Eclipse. Oprogramowanie przygotowano w języku C, z wykorzystaniem biblioteki avr libc. Przy kompilacji wykorzystano narzędzie make oraz narzędzia avr gcc. Ponieważ moduły ZigBit posiadają fabrycznie zapisany w pamięci FLASH program rozruchowy (boot loader ), pozwalający załadować program użytkownika przez interfejs UART, nie było konieczne użycie zewnętrznego dedykowanego emulatora/programatora. Węzły wyposażone w konwerter USB UART i złącze USB konwerter podłączony konwerter Rysunek 3.1: Zdjęcie zewnętrznego konwertera USB UART zmodyfikowany moduł AVT 1775 były konfigurowane za pośrednictwem tego konwertera. Pozostałe węzły były konfigurowane przez dodatkowe złącze P3, za pośrednictwem zewnętrznego konwertera USB UART zbudowanego w oparciu o układ FT230X. Konwerter ten przedstawiono na rysunku 3.1. Do przesłania programu do mikrokontrolera użyto programu ZigBit Bootloader, autorstwa Martina Vejnara Biblioteki Podczas tworzenia oprogramowania wykorzystano biblioteki programowe wykonane na potrzeby niniejszej pracy, dostarczone przez producentów układów oraz wykonane przez autora w ramach innych prac. 1

60 3.2. Biblioteki 60 Biblioteka Atmel IEEE MAC Software Package jest odpowiedzialna za obsługę warstwy dostępu do medium standardu IEEE Dodatkowo zawiera ona funkcje do obsługi wybranych peryferiów zastosowanego mikrokontrolera. Biblioteka ta została podzielona na następujące podwarstwy [30]: ˆ warstwa abstrakcji sprzętu PAL (Platform Abstraction Layer), ˆ warstwa abstrakcji aparatu nadawczo odbiorczego TAL (Transceiver Abstraction Layer), ˆ warstwa rdzenia MAC MCL (MAC Core layer). Biblioteka SHT10 do obsługi czujnika temperatury i wilgotności została zaczerpnięta z pracy [31] i zmodyfikowana pod kątem użytej platformy sprzętowej. Składa się ona z dwóch warstw: ˆ warstwy sprzętowej obsługi protokołu, ˆ warstwy abstrakcji sprzętu. Biblioteka MPL115A2 do obsługi czujnika ciśnienia atmosferycznego została przygotowana w ramach niniejszej pracy. Podobnie jak w przypadku biblioteki SHT10 składa się z dwóch warstw: ˆ warstwy sprzętowej obsługi protokołu I 2 C, przygotowanej na podstawie karty katalogowej [32], ˆ warstwy abstrakcji sprzętu, przygotowanej na podstawie dokumentacji [33]. Biblioteka usrprintf ułatwiająca uruchamianie i diagnostykę urządzenia, wykorzystywana do obsługi komunikacji w oprogramowaniu badawczym. Zawiera funkcję int usrprintf(char const format,...) z listą argumentów zgodną ze standardową funkcją printf(...) służącą do wysyłania komunikatów przez interfejs UART. Ponadto w bibliotece znalazła się makrodefinicja debug(format,...) służąca do formatowania i przesyłania komunikatów diagnostycznych. Funkcję debug można wyłączyć, definiując #define debug(...) if(0);.

61 3.3. Oprogramowanie docelowe Połączenie bibliotek Nadrzędną biblioteką w projekcie oprogramowania jest IEEE MAC. Ponieważ określa ona szkielet programu, wszystkie pozostałe biblioteki zostały z nią zintegrowane. Znajdują się one w warstwie abstrakcji sprzętu. 3.3 Oprogramowanie docelowe Ta wersja oprogramowania pozwala zestawić i konfigurować sieć bezprzewodową o topologii drzewa. Wyróżnione są trzy typy węzłów: ˆ korzeń (root), ˆ gałąź (router), ˆ liść (leaf ). Każdy rodzaj węzła może posiadać dowolny zestaw czujników oraz może być zasilany z baterii lub za pośrednictwem złącza USB mini. Zalecane jest, by korzeń oraz gałąź były zasilane z zewnętrznego zasilacza. Te dwa typy węzłów mają stale włączony odbiornik radiowy, więc przy braku zasilania zewnętrznego baterie trzeba byłoby wymieniać co kilka dni. Z drugiej strony zastosowanie cyklicznego nasłuchiwania zmniejsza niezawodność doręczania pakietów. Ponadto każdy rodzaj węzła może być wyposażony w dodatkową pamięć nieulotną do przechowywania wyników pomiarów z własnych czujników lub z czujników węzłów podrzędnych. Konfiguracja sieci zapisana jest w wewnętrznej pamięci nieulotnej mikrokontrolera każdego z węzłów. Dane konfiguracyjne zebrano w tablicy 3.1. Wszystkie węzły połączone w jedną sieć muszą mieć jednakowy identyfikator sieci i numer kanału oraz różne adresy (w praktyce sieć z dwoma lub więcej węzłami o jednakowych adresach będzie funkcjonować nie ma mechanizmu pozwalającego wykryć taką konfigurację, jednak jest ona niezalecana wyniki pochodzące od różnych węzłów zostaną zinterpretowane jako pochodzące od jednego). Oprogramowanie docelowe wykorzystuje wszystkie przygotowane biblioteki, jednak biblioteka usrprintf była wykorzystywana tylko podczas tworzenia i testowania

62 3.3. Oprogramowanie docelowe 62 Pole Rozmiar [B] Opis NODE TYPE 1 Typ węzła: 0x00 niezdefiniowany 0x01 korzeń 0x01 gałąź 0x01 liść DEFAULT PAN ID 2 Identyfikator sieci NODE ADDRESS 8 Adres węzła NODE PARENT ADDRESS 8 Adres węzła nadrzędnego 2 DEFAULT CHANNEL 1 Numer kanału 3 Tablica 3.1: Dane konfiguracyjne węzła w pamięci nieulotnej oprogramowania. Biblioteką nadrzędną jest Atmel IEEE MAC Software Package. Zastosowano typowy schemat funkcji main(), przedstawiony na rysunku 3.2. Działanie poszczególnych funkcji jest następujące: ˆ wpan init() odpowiada za inicjalizację wszystkich warstw stosu, w szczególności zerowanie buforów i kolejek; ˆ pal global irq enable() włącza wszystkie skonfigurowane przerwania, w tym najistotniejsze z punktu widzenia działania węzła przerwanie od zakończenia odbierania lub nadawania danych; ˆ pal sio init(sio CHANNEL) inicjalizuje interfejs UART i zeruje wskaźniki związanych z nim buforów. Parametr SIO CHANNEL wskazuje numer interfejsu UART, w niniejszym projekcie jest to UART1; ˆ app peripheral init() odpowiada za inicjalizację peryferiów nie obsługiwanych przez bibliotekę Atmel IEEE MAC Software Package, czyli przede wszystkim czujników, pamięci oraz sterowania przetwornicą podwyższającą napięcie; ˆ node type selection(node TYPE) przekazuje wszystkim warstwom stosu informację o typie węzła, aby te mogły przyjąć odpowiednią konfigurację (na przykład liść nie będzie stale nasłuchiwał przychodzących komunikatów, w 2 nieistotny dla korzenia 3 tylko 2,4 GHz

63 3.3. Oprogramowanie docelowe 63 Zerowanie wpan init() pal global irq enable() pal sio init(sio CHANNEL) app peripheral init() node type selection(node TYPE) wpan mlme reset req(true) wdt reset() wpan task() app task() Rysunek 3.2: Sieć działań funkcji main() oprogramowania docelowego przeciwieństwie do pozostałych typów węzłów). Parametr NODE TYPE jest odczytywany z pamięci nieulotnej patrz tablica 3.1; ˆ wpan mlme reset req(true) ustawia domyślne parametry pracy wszystkich warstw stosu; ˆ wdt reset() zeruje licznik bezpieczeństwa (watchdog). Licznik ten ustawiony

64 3.3. Oprogramowanie docelowe 64 jest na 10 sekund. Jeśli przez ten czas główna pętla nie wykona się przynajmniej raz, licznik przepełni się i wywoła zerowanie mikrokontrolera. Mechanizm ten pozwala zapobiec sytuacji, w której normalna praca programu zostanie zakłócona i mikrokontroler wejdzie w pętlę nieskończoną (inną niż główna pętla programu); ˆ wpan task() jest wywoływana cyklicznie. W tej funkcji wywoływana jest większość funkcji stosu warstw biblioteki Atmel IEEE MAC Software Package; ˆ app task() również wywoływana cyklicznie, w niej wywoływane są funkcje specyficzne dla aplikacji, czyli w przypadku niniejszego projektu obsługa komunikacji przez interfejs UART z systemem nadrzędnym. Opracowany protokół komunikacji opisano w rozdziale dotyczącym oprogramowania po stronie systemu nadrzędnego. Oprócz wywoływanych bezpośrednio funkcji, bardzo istotne dla działania urządzenia są funkcje wywołania zwrotnego (callback), które wywoływane są w odpowiedzi na przerwanie. Najważniejsze są dwie z nich: ˆ static void send sensor data(void) jest funkcją liścia odpowiedzialną za odczytanie wartości z czujników oraz sformatowanie ramki danych i przesłanie jej do węzła nadrzędnego. Zawartość ramki przedstawiono na rysunku 3.3. Bajt Zawartość ADDR 0xF1 BAT T RH P... Rysunek 3.3: Ramka danych przesyłana przez liść. ADDR adres węzła, 0xF1 znacznik oznaczający dane, BAT napięcie baterii, T temperatura, RH wilgotność względna, P ciśnienie atmosferyczne. Ramka może zostać rozszerzona o dodatkowe dane, takie jak wartości z przetwornika analogowo cyfrowego lub dane z czujników z interfejsem 1 Wire. Funkcja send sensor data(...) wywoływana jest przez funkcję static void data tx start cb(...), która jest wywoływana w odpowiedzi na upłynięcie czasu odliczanego przez licznik APP TIMER, który z kolei zerowany jest przez funkcję usr mcps data conf(...), wywoływaną po wysłaniu paczki danych.

65 3.3. Oprogramowanie docelowe 65 Czas pomiędzy kolejnymi odczytami czujników przyjęto jako 10 sekund, jednak może on być zmieniony. Bajt Zawartość ADDR 0xF0 LQI DATA Rysunek 3.4: Ramka danych przesyłana przez gałąź. ADDR adres węzła, 0xF0 znacznik oznaczający dane adresowe, LQI jakość połączenia z węzłem podrzędnym, DATA ramka odebrana od węzła podrzędnego ˆ void usr mcps data ind(...) jest funkcją gałęzi lub korzenia wywoływaną w odpowiedzi na zakończenie odbierania paczki danych. Gałąź odczytuje odebrane dane, formatuje ramkę jak przedstawiono na rysunku 3.4 oraz przesyła ją do swojego węzła nadrzędnego. Należy zaznaczyć, że węzłem podrzędnym gałęzi może być również gałąź w takiej sytuacji również cała odebrana ramka jest przesyłana dalej. Dzięki temu ostatecznie korzeń odbierze ramkę zawierającą nie tylko wyniki pomiarów, ale również informacje o drodze, jaką przebyły oraz jakości połączenia na każdym etapie transmisji. Ponieważ długość ramki jest zwiększana tylko w gałęziach, nie wpływa to negatywnie na zużycie energii, gdyż gałęzie powinny być zasilane z zasilacza zewnętrznego. Korzeń odczytuje odebrane od węzłów podrzędnych (gałęzi i liści) dane oraz formatuje ramkę zgodnie z rysunkiem 3.5. W przeciwieństwie do gałęzi, w tym przypadku tak przygotowana ramka przesyłana jest przez interfejs UART do systemu nadrzędnego. Bajt Zawartość ADDR 0xF0 LEN LQI DATA Rysunek 3.5: Ramka danych przesyłana przez korzeń. ADDR adres węzła, 0xF0 znacznik oznaczający dane adresowe, LEN długość pozostałej części ramki w bajtach, LQI jakość połączenia z węzłem podrzędnym, DATA ramka odebrana od węzła podrzędnego

66 3.4. Oprogramowanie po stronie systemu nadrzędnego Oprogramowanie po stronie systemu nadrzędnego W ramach niniejszej pracy, oprócz projektu sprzętowego oraz programowego węzła sieci, opracowano i wykonano również oprogramowanie pracujące w systemie nadrzędnym, umożliwiające użytkownikowi obsługę sieci. Przyjęto następujące założenia dotyczące oprogramowania: ˆ prosty, graficzny interfejs użytkownika, ˆ działanie pod kontrolą najpopularniejszych systemów operacyjnych (Windows, Linux, Mac OS), ˆ krótki i łatwy w napisaniu oraz utrzymaniu kod. Biorąc pod uwagę powyższe założenia, stwierdzono, że oprogramowanie to może być przygotowane w środowisku MATLAB lub w języku Python. Ze względu na możliwość tworzenia binarnych plików wykonywalnych oraz nieodpłatną dystrybucję wybrano język Python w wersji 3.4. Graficzny interfejs użytkownika przygotowano z wykorzystaniem biblioteki Qt w wersji 5.4. Oprogramowanie stworzono w środowisku Qt Creator w wersji 3.3.0, wykorzystano również wbudowane narzędzie Qt Designer do zaprojektowania graficznego interfejsu użytkownika Klasy Na potrzeby programu stworzono trzy klasy, odpowiedzialne za: strukturę danych drzewa, obsługę portu szeregowego oraz graficzny interfejs użytkownika. class Node Reprezentuje węzeł sieci. Dzięki możliwościom języka Python klasa ta nie ma zdefiniowanej listy atrybutów. Posiada trzy metody: ˆ init (self, address) standardowy konstruktor, który tworzy nowy parametr self.address = address oraz inicjuje nowy pusty słownik (dictionary)

67 3.4. Oprogramowanie po stronie systemu nadrzędnego 67 self.children = {} przeznaczony na węzły podrzędne. Taka inicjacja jest konieczna, gdyż język Python nie ma dosłownego definiowania typów. W zastosowanym słowniku elementami są pary klucz:obiekt, gdzie kluczem jest adres węzła (unikalny), a obiektem obiekt klasy Node. Dzięki zastosowaniu słownika zamiast zwykłej listy ułatwione jest budowanie drzewa. Przy odbieraniu paczki od węzła wystarczy sprawdzić, czy dany węzeł już ma swoją reprezentację w słowniku. ˆ process measurement(self, address, lqi, measurement) przetwarza ramkę odebraną przez port szeregowy (patrz rysunek 3.5). Jest to funkcja rekurencyjna, kolejno przetwarzająca nagłówki od początku ramki, aż do napotkania znacznika 0xF1 (oznaczającego ramkę z danymi pomiarowymi), po którym wywoływana jest funkcja process measurement data(self, measurement). ˆ process measurement data(self, measurement) przetwarza część ramki odebranej przez port szeregowy, zawierającą dane z czujników (patrz rysunek 3.3). Przypisuje odczytane wartości jako atrybuty odpowiedniego obiektu typu Node oraz zapisuje je do pliku tekstowego w powszechnie stosowanym formacie CSV (Comma Separated Values, wartości oddzielone przecinkami). class SerialHandler Reprezentuje wątek (dziedziczy po klasie QThread) obsługujący komunikację przez port szeregowy. Oprócz metody run(self) posiada atrybuty typu pyqtsignal służące do sygnalizowania odbioru oraz przekazywania do klasy wywołującej ramek z odpowiedziami na zapytania i wymuszenia (patrz tablica 3.2) oraz ramki z danymi (patrz rysunek 3.5). class UserWindow Reprezentuje główne okno programu (dziedziczy po QMainWindow), w swoich atrybutach zawiera obiekty dwóch opisanych wcześniej klas. Posiada metody odpowiedzialne za obsługę interfejsu użytkownika oraz metody:

68 3.4. Oprogramowanie po stronie systemu nadrzędnego 68 ˆ received measurement(self, measurement) wywoływana w odpowiedzi na sygnał received measurement pochodzący od obiektu klasy SerialHandler. Metoda ta dla obiektu klasy Node reprezentującego korzeń wywołuje metodę process measurement(...) oraz po jej zakończeniu odświeża zawartość kontrolki drzewa, wywołując metodę filltree(self, parent, node) dla tego samego obiektu. ˆ filltree(self, parent, node) jest metodą rekurencyjną, która wywołana dla danego obiektu node klasy Node oraz obiektu parent klasy QTreeWidget- Item dodaje do kontrolki drzewa elementy odpowiadające węzłowi node i jego węzłom podrzędnym. Dodany element odpowiadający węzłowi node jest elementem podrzędnym elementu parent. Aby dodać korzeń, metodę należy wywołać z parametrami self.filltree(self.treenodes, self.node) dodane zostaną wtedy również wszystkie węzły podrzędne Protokół komunikacji W ramach niniejszej pracy opracowano protokół komunikacji pomiędzy korzeniem a systemem nadrzędnym wykorzystujący interfejs UART oraz wirtualny port szeregowy. Istnieją dwa typy komend wysyłanych przez system nadrzędny do węzła: Komenda Opis Odpowiedź 0x01 zapytanie o typ węzła 0x01 + typ (1B) 0x02 zapytanie o adres 0x02 + adres (8B) 0x03 zapytanie o PAN ID 0x03 + PAN ID (2B) 0x04 zapytanie o kanał 0x04 + kanał (1B) Tablica 3.2: Lista zapytań i odpowiedzi protokołu komunikacyjnego między systemem nadrzędnym i węzłem Komenda 0x11 + typ (1B) 0x12 + adres (8B) 0x13 + PAN ID (2B) 0x14 + kanał (1B) Opis wymuszenie typu węzła wymuszenie adresu wymuszenie PAN ID wymuszenie kanału Tablica 3.3: Lista wymuszeń protokołu komunikacyjnego między systemem nadrzędnym i węzłem

69 3.4. Oprogramowanie po stronie systemu nadrzędnego 69 zapytania zebrane w tablicy 3.2 oraz wymuszenia zebrane w tablicy 3.3. Odpowiedzi dla wymuszeń są takie same jak dla odpowiadających im zapytań. Oprócz zapytań, wymuszeń i odpowiedzi między węzłem a systemem nadrzędnym przesyłane są również dane zebrane z czujników ramka przedstawiona jest na rysunku Działanie programu Główny ekran programu składa się z trzech części: ˆ kontrolka drzewa, prezentująca topologię sieci, ˆ informacje o węźle podłączonym do komputera, ˆ kontroler połączenia interfejsu szeregowego. Widok okna głównego programu przedstawiono na rysunku 3.6. Po uruchomieniu programu tworzone jest okno główne, czyli interfejs użytkownika. Pierwszym krokiem jest wpisanie nazwy portu szeregowego, do którego podłączony jest węzeł, w pole oznaczone etykietą Port i naciśnięcie przycisku Połącz. Tworzony jest obiekt klasy SerialHandler i otwierany podany port. Jeśli otwarcie portu powiedzie się, przycisk Połącz staje się nieaktywny, a wątek SerialHandler odpytuje węzeł kolejno o typ, adres, PAN ID, kanał oraz adres węzła nadrzędnego. Otrzymane odpowiedzi wyświetlane są w odpowiednich polach ramki Węzeł. Jednocześnie reprezentacja węzła pojawia się w kontrolce drzewa. Jeśli podłączony węzeł jest korzeniem, program jest gotowy do odbierania ramek z danymi. Po odebraniu i przetworzeniu takiej ramki do obiektu klasy Node dodawany jest węzeł, który rozpoczął nadawanie ramki oraz wszystkie węzły pośrednie (jeśli jeszcze nie zostały dodane). Po odebraniu przynajmniej jednej ramki od każdego węzła obiekt klasy Node zawiera pełną topologię sieci. Kontrolka drzewa jest odświeżana po każdym odebraniu ramki z danymi.

70 3.5. Oprogramowanie badawcze 70 Rysunek 3.6: Widok okna głównego programu 3.5 Oprogramowanie badawcze Ta wersja oprogramowania pozwala przeprowadzić testy jakości transmisji według planu badań opisanego w rozdziale 4.1. Oprogramowanie jest obsługiwane przez interfejs UART przy pomocy terminala tekstowego. Po włączeniu zasilania urządzenie przesyła komunikat (r)oot/(l)eaf?. Wypisanie znaku r lub l pozwala wybrać tryb pracy urządzenia odpowiednio korzeń i liść (patrz rozdział 1.2.1). Listy komend i odpowiedzi dla obydwu trybów pracy zestawiono w tablicach 3.4 i 3.5. Schemat funkcji main() jest taki sam, jak w przypadku oprogramowania docelowego (patrz rysunek 3.2), różna jest zawartość funkcji void app task(void), która odpowiedzialna jest za obsługę komend odebranych przez interfejs UART. Zamiast funk-

71 3.5. Oprogramowanie badawcze 71 Komenda Opis Odpowiedź i Sprawdza stan węzła LEAF:SRCH gdy niepołączony LEAF:CONN gdy połączony t Wysyła sekwencję testową TX 0 TX 1... TX 99 TEST TX OK Tablica 3.4: Lista komend testowych liścia Komenda Opis Odpowiedź i Sprawdza stan węzła RTRT:SRCH gdy niepołączony ROOT:CONN gdy połączony 0 Zeruje tablicę wyników ZERO OK 2 Wypisuje tablicę wyników 00,[pkt0],[rssi0] 01,[pkt1],[rssi1]... 99,[pkt99],[rssi99] gdzie [pktx] i [rssix] oznaczają odpowiednio liczbę odebranych pakietów i sumę ich wartości RSSI w paczne x Tablica 3.5: Lista komend testowych korzenia cji static void send sensor data(void) w programie występuje funkcja static void test send data(void) wysyłająca testowe dane. Przewidziano również miejsce w pamięci operacyjnej mikrokontrolera na dwa bufory: ˆ static uint8t test nrx[100] przeznaczony na zliczanie liczby odebranych pakietów, ˆ static uint16t test rssi[100] przeznaczony na uśrednianie wartości RSSI potrzebnych do obliczenia wartości P r. Dzięki zbieraniu powyższych danych w pamięci i przesyłaniu ich do systemu nadrzędnego uzyskuje się więcej informacji o wykonanym pomiarze. Ponadto takie podejście umożliwia zastosowanie złożonego przetwarzania (sprawdzanie kryterium odchylenia standardowego, obliczanie średniej ucinanej), opisanego w rozdziale 4.1.

72 Rozdział 4 Badania Scenariusze i metodyka badań zostały dobrane tak, aby pomiędzy poszczególnymi testami zmieniał się tylko jeden parametr. Dzięki temu wyniki badań można łatwo odnieść do spodziewanych wyników teoretycznych oraz można je uogólniać i stosować do estymacji parametrów pracy w innych, bardziej złożonych scenariuszach. 4.1 Metodyka badań Początkowo założono, że miarą jakości transmisji powinna być skuteczność dostarczania pakietów wyrażona wzorem: Q P KT = N RX N T X (4.1) gdzie Q P KT oznacza miarę jakości transmisji, N RX liczbę pakietów odebranych, a N T X liczbę pakietów nadanych. Podczas próbnych badań stwierdzono jednak, że taka miara nie może być bezpośrednio odniesiona do teoretycznego parametru Pr P t, gdyż funkcja Q P KT (r) jest silnie nieliniowa. Zastosowane moduły radiowe umożliwiają jednak pomiar dla każdego pakietu jednego z dwóch parametrów: RSSI (Received Signal Strength Indication, wskazanie siły odebranego sygnału) lub LQI (Link Quality Indication, wskazanie jakości połączenia). Parametr LQI niesie więcej informacji na temat jakości połączenia, jednak parametr RSSI jest prostym odwzorowaniem mocy odebranego sygnału 72

73 4.1. Metodyka badań 73 P r. Uznano więc, że RSSI będzie podstawowym badanym parametrem. Aby nie wprowadzać nowych oznaczeń, w dalszej części pracy oznaczenie P r będzie dotyczyć parametru RSSI, natomiast oznaczenie Pr P t, obliczone jako: P r P t [db] = P r [dbm] P t [dbm] (4.2) będzie oznaczać tłumienie między nadajnikiem a odbiornikiem. Wartość P t znana dla każdego węzła. jest Odstęp między pakietami Gdy pakiety nadawane są z maksymalną częstotliwością, jeden po drugim, błędy po stronie odbiorczej mogą pojawić się ze względu na dwa zjawiska: Efekt wielodrogowości powoduje, że po odebraniu danego pakietu do odbiornika mogą docierać echa związane z odbiciem fali elektromagnetycznej od podłoża i innych obiektów z otoczenia. Istotne jest, aby przed rozpoczęciem nadawania kolejnego pakietu wszystkie echa poprzedniego pakietu miały znacznie mniejszą moc, niż sygnał z kolejnego pakietu. Wymaganą różnicę mocy przyjęto arbitralnie jako 100 db. Przekształcając zależność 1.1 i podstawiając T echo = r otrzymujemy: c T echo = 1 4πf Pr P t (4.3) Powyższy wzór nie uwzględnia strat związanych z odbiciem, więc wynik jest zawyżony. Podstawiając do wzoru spadek mocy 100 db oraz częstotliwość 868 M Hz (przy tej częstotliwości czas trwania echa będzie dłuższy) otrzymujemy maksymalny czas trwania echa równy 9, 17 µs. Przepełnienie potoku występuje, gdy przetwarzanie pakietu przez część cyfrową trwa dłużej, niż okres powtarzania pakietów. W takiej sytuacji część pakietów zostaje odrzucona i w efekcie zmierzona jakość transmisji będzie niższa niż rzeczywista. W opisywanym systemie pakiety są przetwarzane przez nadajnik odbiornik oraz mikrokontroler, a pomiędzy nimi występuje transmisja przez interfejs SPI. Producent

74 4.1. Metodyka badań 74 nadajnika odbiornika sugeruje, aby transmisję ramki do mikrokontrolera rozpoczynać dopiero po zgłoszeniu przerwania końca ramki, więc obliczony czas należy interpretować, podobnie jak T echo, jako wymagany odstęp pomiędzy końcem jednej ramki a początkiem następnej. Czas przetwarzania ramki można określić dokładnie, zliczając cykle zegara potrzebne na poszczególne operacje, lub oszacować z góry, przyjmując pewne założenia. Czas przetwarzania pojedynczej ramki określa wzór: gdzie: ˆ L F długość ramki w bajtach (127, do obliczeń przyjęto maksymalną długość), T process = 8L F f SP I + L F O B f MCU + O F f MCU (4.4) ˆ f SP I częstotliwość pracy SPI w hercach (1 MHz), ˆ f MCU częstotliwość pracy mikrokontrolera w hercach (4 MHz), ˆ O B złożoność obliczeniowa przetwarzania ramki w funkcji długości ramki wyrażona w taktach procesora na bajt (12, przyjęto po dwa takty na operacje odczytu, zapisu, porównania, zwiększenia liczników i cztery takty na instrukcje warunkowe), ˆ O F złożoność obliczeniowa przetwarzania ramki niezależna od długości ramki, wyrażona w taktach procesora na ramkę (50, uwzględniono obsługę przerwania, operacje na stosie, instrukcje warunkowe i zwiększenia liczników). Po podstawieniu wartości otrzymujemy maksymalny czas przetwarzania ramki równy 457 µs. Biorąc pod uwagę poprzednie rozważania, czas bezczynności pomiędzy kolejnymi pakietami powinien być równy co najmniej: T delay = max(t echo, T process ) (4.5) Podstawiając do wzoru obliczone wcześniej wartości, otrzymujemy T delay = 457 µs.

75 4.2. Scenariusze badań Paczki pakietów Poza wymienionymi wyżej zjawiskami błędy po stronie odbiorczej mogą powodować interferencje pochodzące od innych systemów bezprzewodowych pracujących w tym samym zakresie częstotliwości oraz przypadkowe i okresowe szerokopasmowe zakłócenia. Aby zminimalizować ich wpływ na przebieg pomiaru, należy nie tylko prowadzić badania w dużej odległości od innych sieci i źródeł zakłóceń, ale również opracować odpowiednią metodykę pomiaru. W związku z powyższym przyjęto przebieg pomiaru pojedynczego punktu pomiarowego przedstawiony na rysunku 4.1. Czasy oczekiwania T waitn są generowane pseudolosowo z zakresu 1 10 s. Zmniejsza to wrażliwość pomiaru na zakłócenia o charakterze okresowym. Porównanie odchylenia standardowego ze średnią (kryterium odchylenia standardowego) pozwala stwierdzić, czy pomiar może być obarczony błędem wynikającym z zakłóceń o charakterze przypadkowym. Jeśli kryterium nie jest spełnione, pomiar należy oznaczyć i przeanalizować możliwe powody niespełnienia tego kryterium lub powtórzyć pomiar. Obcinanie pierwszego i ostatniego decyla wyników przed obliczeniem średniej będącej ostatecznym wynikiem pomiaru ma na celu wyeliminowanie odchyleń związanych z zakłóceniami o charakterze losowym. Należy zauważyć, że w przypadku wystąpienia takich odchyleń, są to zawsze odchylenia w dół, więc takie uśrednianie może powodować nieznaczne zaniżenie wyniku. Długość paczki powinna być jak najmniejsza, aby zminimalizować wpływ zakłóceń przypadkowych. Jednocześnie nie może być zbyt mała, by powyższe obliczenia miały sens. Przyjęto, że w paczce powinno być 100 pakietów. Liczba paczek powinna być jak największa, aby podczas uśredniania zwiększyć dokładność pomiaru, jednak ograniczenie stanowi czas pomiaru. Ze względu na dużą liczbę testów do przeprowadzenia przyjęto, że pomiar pojedynczego punktu pomiarowego nie powinien trwać więcej niż 30 minut, stąd liczba paczek N P = Scenariusze badań W ramach pracy przeprowadzono następujące scenariusze badań: ˆ badanie zasięgu transmisji w otwartej przestrzeni mające na celu porówna-

76 4.2. Scenariusze badań 76 Start n = 0 Nadaj N T X pakietów Zlicz N RXn pakietów odebranych Odczytaj RSSI n Odczekaj T waitn n > N P? nie n = n + 1 tak σ(rssi) 10%RSSI? tak Oznacz wynik nie Oblicz P r = RSSI 2 9 Stop Rysunek 4.1: Przebieg pomiaru pojedynczego punktu pomiarowego. Oznaczenia: σ(rssi) estymator odchylenia standardowego RSSI, RSSI estymator średniej RSSI, RSSI 2 9 estymator średniej RSSI po odrzuceniu skrajnych decyli nie wyników testów z danymi teoretycznymi (patrz rozdział 1.2.2) i ustalenie punktu odniesienia dla pozostałych scenariuszy, ˆ badanie jakości transmisji przez ściany ukierunkowane na sformułowanie wnio-

77 4.2. Scenariusze badań 77 sków przydatnych przy projektowaniu sieci w środowisku wewnątrzbudynkowym, ˆ badanie wpływu szerokości ściany na jakość transmisji stanowiące rozszerzenie badania poprzedniego, ˆ porównanie jakości transmisji z wynikami uzyskanymi dla innej sieci pracującej z falą nośną o częstotliwości 433 MHz, ˆ badanie jakości transmisji przez ściany pod różnymi kątami Badanie zasięgu transmisji w otwartej przestrzeni Cel badania Jako pierwsze przeprowadzono badanie zasięgu transmisji w otwartej przestrzeni. Celem tego badania jest przede wszystkim określenie zależności między mierzoną, a teoretyczną wartością tłumienia otwartej przestrzeni Pr P t. Dzięki temu wyniki wszystkich kolejnych badań można łatwiej odnieść do zależności teoretycznych. Dodatkowo zbadano monotoniczność funkcji Q P KT (r) dla dwóch rozpatrywanych zakresów częstotliwości (868 MHz oraz 2,4 GHz), aby określić, przy jakiej minimalnej wartości P r P t możliwa jest transmisja z pomijalnie małą (< 1%) stratą pakietów. Przebieg badania Jedną z istotnych decyzji odnośnie tego badania był wybór lokalizacji. Przyjęto następujące kryteria: ˆ duży obszar, większy od maksymalnej testowanej odległości, ˆ brak zalesienia, zabudowań i dużych nierówności terenu, ˆ możliwie duża odległość od obszarów silnie uprzemysłowionych lub gęsto zamieszkanych. Wytypowano trzy lokalizacje, w których przeprowadzenie badań byłoby możliwe:

78 4.2. Scenariusze badań 78 0 m 500 m 1000 m 1500 m 2000 m 2500 m Rysunek 4.2: Zdjęcie satelitarne obszaru testowego. Źródło: 2014 MGGP Aero, 2014 Google ˆ Droga wojewódzka nr 868/ulica Literatów w Konstancinie Jeziornej, pomiędzy miejscowościami Obory i Gassy (52,08N, 21,18E). Prosta droga o długości 2700 m, umiarkowanie ruchliwa, bez pobocza, brak zabudowań wzdłuż drogi. Duża prędkość pojazdów w połączeniu z brakiem pobocza negatywnie wpływa na bezpieczeństwo badaczy. ˆ Wał wiślany/ulica Wał Zawadowski w Warszawie od ulicy Sytej do ulicy Zaściankowej (52,19N, 21,10E). Prosta droga oraz ścieżka na szczycie wału o długości 2500 m, znikomy ruch samochodów, możliwość zatrzymania samochodu i ustawienia statywu pomiarowego w dowolnym miejscu. Od ulicy Glebowej w kierunku południowym między drogą a wałem rzadko uczęszczana (1 3 przejazdy dziennie), niezelektryfikowana bocznica kolejowa. Od ulicy Jarej w kierunku południowym w odległości 50 m od drogi zabudowa jednorodzinna.

79 4.2. Scenariusze badań 79 Rysunek 4.3: Zdjęcie przedstawiające węzły podczas pomiaru przy odległości 10 m ˆ Lotnisko w pobliżu miejscowości Chrcynno (52,57N, 20,87E). Możliwość prowadzenia badań na terenie lotniska o najdłuższej przekątnej 1500 m. Nieznacznie ograniczona możliwość ustawienia masztów pomiarowych, sporadycznie lądujące i startujące samoloty. węzeł PC 2 m r Rysunek 4.4: Schemat układu pomiarowego do badania zasięgu transmisji Spośród powyższych lokalizacji w pierwszych dwóch przeprowadzono badania próbne i stwierdzono, że dla jednakowych odległości wyniki są jednakowe. Wykluczono więc wyższość pierwszej lokalizacji nad drugą. Trzecią lokalizację odrzucono ze względu na znacznie większą odległość oraz mniejszą długość obszaru badań. Zdjęcie satelitarne ostatecznie wybranego obszaru testowego przedstawiono na rysunku 4.2. Zdjęcie przedstawiające ustawienie węzłów podczas pomiaru pokazano na rysunku 4.3, a schemat układu pomiarowego na rysunku 4.4. Badane węzły i ich parametry przedstawiono w tablicy 4.1. Podczas badania zmie-

80 4.2. Scenariusze badań 80 Wersja urządzenia P t [dbm] Kodowanie CHIP 24 0,5 O QPSK UFL O QPSK SMA BSPSK Tablica 4.1: Parametry badanych węzłów rzono parametry Q P KT oraz Pr P t dla odległości 1 m, 10 m, 100 m, 1000 m (tylko wersja SMA 868). Dodatkowo odnaleziono odległość, przy jakiej Q P KT gwałtownie spada. Należy zaznaczyć, że w tym punkcie nigdy nie udało się spełnić kryterium odchylenia standardowego. Wyniki i wnioski Wyniki badań zestawione z wartościami teoretycznymi przedstawiono na rysunkach 4.5, 4.6, 4.7, odpowiednio dla wersji urządzenia: CHIP 24, UFL 24 oraz SMA 868. Znakami X oznaczono punkty pomiarowe, przerywaną linią zaznaczono wartości teoretyczne, linią ciągłą aproksymację liniową obliczoną metodą najmniejszych kwadratów dla tych punktów, przy których Q P KT 99%. Symbolem O oznaczono punkt, którego rzędną jest odległość, przy której Q P KT skokowo spada, a odciętą wartość aproksymacji liniowej. Ten punkt wyznacza maksymalny zasięg transmisji, zebrany dla badanych węzłów w tablicy 4.2. Wyniki badań nie pokrywają się z Wersja urządzenia Maksymalny zasięg transmisji [m] CHIP UFL SMA Tablica 4.2: Maksymalny wyznaczony eksperymentalnie zasięg transmisji oczekiwanymi wartościami teoretycznymi, jednak rozbieżności są niewielkie. Zmierzone wartości Pr P t są mniejsze od oczekiwanych ze względu na pominięcie wpływu transmisji w strefie przyziemnej oraz niedoskonałości wykonanych urządzeń. Różnica w nachyleniu prostej teoretycznej i aproksymowanej może wynikać z błędu pomiaru odległości lub z różnic między modelem teoretycznym (propagacja w wolnej przestrzeni) a rzeczywistym środowiskiem, w którym wykonywano badanie. Uzyskany zasięg transmisji jest również mniejszy od maksymalnego zasięgu deklarowanego

81 4.2. Scenariusze badań Teoretyczna Aproksymacja Wyniki Graniczna [db] Pr Pt r [m] Rysunek 4.5: Wykres wyniku badania zasięgu transmisji urządzenia w wersji CHIP 24 przez producenta w karcie katalogowej. Jest to spowodowane przede wszystkim wykonywaniem badań w niniejszej pracy z niższą niż maksymalna mocą odbiornika. Stosowanie maksymalnej mocy nadajnika jest niezgodne z obowiązującymi w Polsce przepisami [12], które ograniczają maksymalną równoważną moc promieniowaną izotropowo (Equivalent Isotropically Radiated Power, EIRP) do 10 dbm. Brak znacznych rozbieżności pomiędzy wynikami badań a wartościami teoretycznymi pozwala stwierdzić, że urządzenia zostały zaprojektowane i wykonane prawidłowo i można za ich pomocą wykonywać miarodajne pomiary.

82 4.2. Scenariusze badań Teoretyczna Aproksymacja Wyniki Graniczna [db] Pr Pt r [m] Rysunek 4.6: Wykres wyniku badania zasięgu transmisji urządzenia w wersji UFL Badanie wpływu ścian na transmisję Cel badania Celem badania było określenie, w jaki sposób ściany znajdujące się pomiędzy węzłami mogą wpływać na transmisję. Badanie przeprowadzono dla obydwu badanych częstotliwości nośnych oraz trzech rodzajów ściany. Badaniu podlegał parametr Pr P t. W badaniu wykorzystano węzły UFL 24 oraz SMA 868, z parametrami jak w tablicy 4.1. Przebieg badania Pomiary przeprowadzono w każdym przypadku dla odległości między węzłami równej 2 m. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 4.8. Zbadano trzy typy ścian:

83 4.2. Scenariusze badań Teoretyczna Aproksymacja Wyniki Graniczna [db] Pr Pt r [m] Rysunek 4.7: Wykres wyniku badania zasięgu transmisji urządzenia w wersji SMA 868 ˆ ścianę kartonowo gipsowa o grubości 5 cm, wykonaną z dwóch zewnętrznych warstw z płyty kartonowo gipsowej o grubości 1 cm oraz wypełnienia z tektury komórkowej o grubości 3 cm, ˆ ścianę ceglaną o grubości 10 cm, wykonaną z cegły dziurawki, ˆ ścianę betonową o grubości 15 cm, wykonaną z betonu zbrojonego w technologii wielkiej płyty. Badania przeprowadzono w mieszkaniu w bloku wybudowanym w 1985 roku w technologii wielkiej płyty. Współcześnie bloki w tej technologii nie są już budowane, jednak bloki o konstrukcji szkieletowej posiadają ściany działowe wykonane z cegły, bloczków gipsowych lub płyty kartonowo gipsowej, natomiast ściany nośne i stropy wykonane są z betonu zbrojonego. Podczas badań w mieszkaniu nie pracowały żadne urządzenia elektryczne poza urządzeniami biorącymi udział w pomiarach. Instala-

84 4.2. Scenariusze badań 84 ściana węzeł 1 m 2,55 m PC 1,25 m 2 m Rysunek 4.8: Schemat układu pomiarowego do badania wpływu ścian na jakość transmisji cja elektroenergetyczna podczas pomiarów była zdemontowana. Należy zaznaczyć, że przeprowadzanie badań w budynku mieszkalnym wiąże się z dużym ryzykiem wystąpienia zakłóceń, szczególnie w przypadku częstotliwości nośnej 2,4 GHz. Zastosowanie średniej ucinanej oraz kryterium odchylenia standardowego pozwala jednakże to ryzyko zmniejszyć. Wyniki i wnioski Nośna Beton Cegła Karton gips 868 MHz 3,8 3,8 3,8 2,4 GHz 4,2 4,4 6,1 Tablica 4.3: Spadek mocy sygnału przy transmisji przez przeszkodę w db, przedstawiony jako różnica między transmisją bez przeszkody a transmisją przez przeszkodę Wyniki badania przedstawiono w tablicy 4.3. Można zauważyć, że zgodnie z teorią tłumienie ścian jest większe w przypadku wyższej częstotliwości nośnej. Dla częstotliwości nośnej 868 MHz tłumienie jest jednakowe, niezależnie od rodzaju przeszkody, a więc jej szerokości oraz przenikalności elektromagnetycznej. Wnioskiem z tej obserwacji może być fakt, że fizycznym źródłem obserwowanego spadku mocy sygnału jest nie tylko tłumienie wynikające z propagacji przez ośrodek, z jakiego zbudowana jest przeszkoda, ale również odbicie fali od przeszkody. Dla częstotliwości nośnej 2,4 GHz największy spadek mocy zaobserwować można przy propagacji przez ścianę kartonowo gipsową. Należy zwrócić uwagę, że dla tej częstotliwości połowa długości fali w próżni λ / 2 = 6, 12 cm, co w przybliżeniu odpo-

85 4.2. Scenariusze badań 85 wiada grubości przeszkody. Zwiększony w porównaniu z innymi przeszkodami spadek mocy można tłumaczyć powstawaniem rezonansu wewnątrz przeszkody. Należy również zauważyć, że spadek mocy przy transmisji przez ścianę wykonaną z cegły dziurawki jest większe, niż w przypadku ściany betonowej. Tłumaczyć to można wielokrotnymi odbiciami wewnątrz pustych przestrzeni w cegłach. Powyższe rozważania prowadzą do następujących wniosków: ˆ istotnym źródłem spadku mocy sygnału podczas propagacji przez przeszkody jest odbicie, a nie tłumienie, ˆ spadek mocy sygnału o częstotliwości fali nośnej 868 MHz w środowisku wewnątrzbudynkowym jest mniejszy niż w przypadku sygnału o częstotliwości fali nośnej 2,4 GHz nie tylko ze względu na niższą wartość tłumienia otwartej przestrzeni FSPL (patrz rozdział 1.2.2), ale również ze względu na to, iż długość fali jest znacznie większa niż rozmiary często występujących przeszkód (λ >> d), ˆ należy dokładniej zbadać zależność spadku mocy sygnału od typu przeszkody, w tym jej rozmiaru Badanie wpływu szerokości przeszkody na jakość transmisji Cel badania Celem badania było poszerzenie wniosków z poprzedniego eksperymentu, dotyczących transmisji przez ścianę kartonowo gipsową oraz znalezienie zależności między szerokością ściany a jej wpływem na jakość transmisji. Przebieg badania Badanie przeprowadzono w tej samej lokalizacji, co poprzednie. Pomiędzy węzłami umieszczono pionowo dwie płyty kartonowo gipsowe i zmieniano odległość między nimi w zakresie od 0 do 35 cm. Ze względu na dużą liczbę punktów pomiarowych zdecydowano się obniżyć liczbę paczek pakietów do 10, co pozwoliło zmniejszyć

86 4.2. Scenariusze badań 86 Rysunek 4.9: Zdjęcie przedstawiające przebieg badania wpływu szerokości przeszkody na jakość transmisji ściana węzeł PC 2,55 m 1m 1,25 m d 2m Rysunek 4.10: Schemat badania wpływu szerokości przeszkody na jakość transmisji czas badania z około 30 godzin do około 3 godzin. Zdjęcie z przebiegu badania przedstawiono na rysunku 4.9, a schemat układu pomiarowego na rysunku Wyniki i wnioski Wyniki badania przedstawiono na rysunku Można zauważyć, że podobnie jak w poprzednim badaniu spadek mocy sygnału jest największy dla d = 3 cm przy częstotliwości 2,4 GHz. Również duży spadek mocy występuje, gdy szerokość przerwy między płytami jest równa 5 cm, jednak gdy szerokość przeszkody lub przerwy jest najbardziej zbliżona do połowy długości fali, spadek mocy jest mniejszy.

87 4.2. Scenariusze badań A [db] ,4 GHz 868 MHz d [cm] Rysunek 4.11: Zależność spadku mocy sygnału od szerokości przeszkody Warto zwrócić uwagę, że przy częstotliwości 2,4 GHz spadek mocy nie jest najmniejszy dla przeszkody bez przerwy, ale dla przeszkody z przerwą o szerokości 15 cm. Przy mniejszych szerokościach przerwy spadek mocy jest znacznie większy dla częstotliwości 2,4 GHz niż dla częstotliwości 868 MHz, jednak przy większych szerokościach zależność ta jest odwrotna. Maksymalny spadek mocy dla częstotliwości 868 MHz wynosi 5,0 db, natomiast dla częstotliwości 2,4 GHz wynosi 8,6 db. Ściana z przerwą o szerokości 1 cm silnie obniża moc odebranego sygnału przy obydwu badanych częstotliwościach fali nośnej. Kształt wykresu nie pozwala na wyznaczenie funkcji opisującej zależność A(d). Taką zależność można wyznaczyć analitycznie lub poprzez symulację.

88 4.2. Scenariusze badań Badanie porównawcze z systemem RFID z aktywnymi transponderami Cel badania Celem badania było porównanie parametrów transmisji zaprojektowanej sieci czujników z innym systemem radiowym, pracującym z częstotliwością fali nośnej 433 MHz. Dzięki badaniu możliwe jest porównanie jakości transmisji w rzeczywistym środowisku wewnątrzbudynkowym przy trzech różnych częstotliwościach fali nośnej: 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz. Przebieg badania Rysunek 4.12: Zdjęcie panoramiczne przedstawiające węzły podczas badania na trzecim piętrze gmachu WEiTI SkrzydłoAA Odbiorniki 1Am Kondygnacja SkrzydłoAB Wysokość 5 3,5Am 4 3,5Am 3 Nadajnik 3,5Am 2 3,5Am 1 4,0Am 0 3,5Am -1 15Am 6Am 3,3Am 50Am Rysunek 4.13: Schemat rozmieszczenia węzłów podczas badania w gmachu WEiTI. Proporcje elementów zwymiarowanych są zachowane