ZigBee – reţea wireless alternativă

10 MARTIE 2010

O analiză mai atentă asupra protocoalelor de comunicaţie wireless relevă o varietate de soluţii, de exemplu: M-Bus, KNX-RF, Enocean (cu propriul său protocol) şi Z-Wave wireless, toate acestea lucrând pe gama de frecvenţe de 868MHz. Acestea sunt protocoale diferite care sunt incompatibile unul cu celălalt, mai exact dispozitivele terminale de la producători diferiţi şi nu pot comunica între ele. Un lucru pe care acestea îl au în comun este nevoia pentru calitatea de membru pe bază de taxă în organizaţia corespondentă. Dacă mai mulţi producători optează pentru acelaşi dintre standardele menţionate mai sus, dispozitivele lor sunt bineînţeles compatibile.
În afara acestor cvasi-standarde, sunt de asemenea disponibile soluţii patentate de la diferiţi producători de semiconductoare. Deşi acestea sunt gratuite, nu sunt inter-operabile decât pentru dispozitivele care utilizează protocoalele corespunzătoare. Între acestea este inclus de exemplu SimpliciTI de la Texas Instruments. Acesta este un stack care suportă topologiile de reţea tip stea, point-to-point şi arborescentă cu un singur router.
În special în Europa, clienţii Texas Instruments au dobândit destulă experienţă în dezvoltarea RF în banda de 868MHz şi sunt oarecum sceptici faţă de banda de 2,4GHz. Ambele game de frecvenţe sunt benzi ISM (Industrial Scientific Medical).
Gama de transmisii restricţionate şi “suprasolicitarea” benzii de 2,4GHz, care găzduieşte transmisiile wireless LAN, Bluetooth şi microunde, este privită destul de critic de către dezvoltatori. Cu toate acestea, această bandă este de mare interes din moment ce dispune de acceptarea globală în contrast cu benzile de 868MHz şi de 433MHz din Europa şi banda de 915MHz (din SUA). Protocolul ZigBee este disponibil pentru banda de 2,4GHz pentru profilurile Home Automation, Smart Energy şi RF4CE pentru controlul la distanţă pentru a asigura interoperabilitatea globală.
Specificaţiile ZigBee suportă de asemenea şi protocolul într-un transmiţător pentru 868MHz, unde este implementat pe un microcontroler sau SOC (System on Chip – de exemplu, atât microcontrolerul cât şi transmiţătorul sunt integrate pe un cip), dar selecţia de componente este oarecum restricţionată în acest caz. Companiile adoră competiţia şi există bineînţeles destulă atunci când sunt luate în considerare transmiţătoarele de 2,4GHz şi cipurile SOC. Calitatea de membru în alianţa ZigBee este de asemenea supusă unei taxe. În cazul cel mai de bază al membrului “adoptor”, există o taxă unică de $3500 în anul în care produsul este lansat pe piaţă. Cu scopul de a înlătura orice îndoieli ale comunităţii de 868MHz cu privire la raza de acţiune şi la susceptibilitatea la zgomot, într-o casă a fost instalată o reţea ZigBee cu o topologie tip stea. Avantajul principal al unei reţele interconectate – transferul automat de informaţii prin alte noduri din reţea de la sursă (de exemplu un senzor de temperatură) la destinaţie (de exemplu un ventilator), nu este utilizat aici deoarece routerele (cum se numesc nodurile pentru transmiterea informaţiei) necesită o sursă de alimentare constantă de la reţeaua electrică.

Descrierea Testului
Coordonator: SmartRF05EB plus CC2530EB (vezi figura 1).
Dispozitive finale: Placa bateriei SOC_BB 1.1, alimentată de 2 baterii AA.
Puterea de transmisie a senzorilor: 4,5 dBm
Sincronizare: La fiecare 10 secunde senzorii transmit către coordonator temperatura măsurată la nivelul unui radiator. Datele pot fi transmise prin ZigBee, GSM sau prin Internet.

Descrierea casei
Tavane din beton armat cu grosime 31cm … 33cm.
Grosimea pereţilor: 13 cm.
Lungimea casei: 11 m.
Lăţimea casei: 6 m.
Numărul maxim de tavane între două noduri: 2.
Toţi senzori sunt poziţionaţi pe radiatoare.
Din moment ce WLAN este de asemenea instalat în casă, a trebuit să fie găsit un canal liber în banda de 2,4 GHz. În acest scop a fost utilizat un scaner de la Metageek în combinaţie cu software-ul Chanalyzer Lite. Rezultatele sunt prezentate mai jos. Se poate observa că există un gol în spectru la 2420MHz. Întreaga reţea a fost astfel configurată pe canalul ZigBee 14. O funcţie similară ar fi putut de asemenea fi implementată în software-ul grupului de protocoale astfel încât reţeaua să caute automat un canal liber. În acest context, ar trebui să se facă o scurtă referire şi la subiectul frequency agility. Utilizând această funcţie, care este integrată pe grupul ZigBee PRO, întreaga reţea poate să comute pe alt canal dacă cel selectat în primă fază întâmpină brusc interferenţe.
Întreaga comunicaţie wireless a fost înregistrată utilizând SNA (sensor network analyzer) de la Daintree.
Împreună cu informaţia din fiecare nod individual, SW analizează de asemenea topologia reţelei. Cum este prezentat în Figura 5 alăturată, coordonatorul (cu alimentarea de la reţeaua electrică) este localizat la parter, în timp ce senzorii sunt distribuiţi prin întreaga casă.
Un alt avantaj important al SW este abilitatea acestuia de a măsura puterea fiecărui semnal. În configuraţia testului industrial, senzorul SNA a fost plasat direct lângă placa coordonatorului. Din Figura 6 se poate observa că puterea de transmisie a coordonatorului cu adresa 0x0000 a fost măsurată la 4dBm. Puterea RF a tuturor nodurilor, inclusiv aceea a coordonatorului, a fost stabilită la 4,5dBm. Aceasta demonstrează că măsurătorile pentru celelalte noduri sunt din toate privinţele reprezentative. Cel mai slab semnal a fost măsurat la -70dBm pentru senzorul de la nivelul 3 (adică la două etaje deasupra parterului). Acest lucru înseamnă că în referinţă cu specificaţiile IEEE 802.15.4, care specifică o valoare a sensibilităţii de 85dBm, există o marjă de 15dB.
Soluţia SOC integrată CC2530 (microcontroler împreună cu transmiţător) de la TI este specificată cu o sensibilitate tipică de -97 dBm cu un factor de eroare de 1%. În urma rezultatului obţinut, nu ar trebui să existe probleme cu privire la raza de transmisie.
Datele înregistrate prezentate în Figura 6 indică faptul că se produc transmisii la fiecare 10 secunde, iar datele sunt transmise în formă criptată.
Durata de viaţă a bateriei este decisivă atunci când vine vorba de senzori. Clienţii se aşteaptă de obicei ca aplicaţiile senzorilor să dureze până la 12 ani sau chiar mai mult. Aceasta ar necesita baterii de aproximativ 3Ah, putere care poate fi asigurată de două AA, de exemplu. În testul practic examinat în continuare, durata de viaţă a bateriei este calculată pornind de la integrala curentului în funcţie de timp. Curentul a fost măsurat indirect – adică prin căderea de tensiune dintr-o rezistenţă de 1W conectată în serie pe linia de alimentare măsurată. Conform acestui lucru în diagrama din Figura 7 este o corespondenţă între 10mV şi 10mA. Diagrama arată de asemenea că nodul de senzori necesită aproximativ 1µA în modul low power 2 (ceasul în timp real şi sincronizarea sunt activate) înainte şi după trimiterea datelor.

Descrierea profilului curent:
Alături de curentul din timpul transmisiei trebuie de asemenea luate în considerare curentul consumat în modul sleep şi pierderile de energie cauzate de auto-descărcare (un procent de 0,2% pe lună).
a) Energia consumată (charge volume) pentru o transmisie de date la nivelul de 95,10 mA corespunde la 95,10 mA/1000/3600 mAh = 26,4•10-6 mAh.
b) Curentul consumat pe lună în modul sleep se calculează : 1 µA×30×24ore = 0,72 mAh/lună
c) Pierderile de energie sunt calculate a fi 3000 mAh•0,2% = 4,8 mAh/lună
Prin urmare, consumul total de energie electrică în acest exemplu este de (6,84 + 0,72 + 4,8) mAh/lună = 12,36 mAh/lună.
Dacă se presupune că 80% din baterie este utilizată de transmiţător şi restul de 20% pentru alte funcţii (cum ar fi indicaţiile LCD sau LED) durata de viaţă a bateriei este calculată ca 0,8×3000 mAh/12,36 mAh/lună = 194 luni ceea ce înseamnă 194/12 = 16 ani.

Rezumat
Două puncte principale au fost ilustrate în acest articol:
1) Este posibilă utilizarea reţelei ZigBee în topologie tip stea într-o casă. Astfel are sens instalarea unor noduri de senzori operate pe baterii.
2) Durata de viaţă a bateriei de 11 ani este o valoare perfect acceptată.

Surse:
Calculator_version_0.9.xls
( http://www.learnzigbee.com/Calculators.html)

Despre autor
Hans-Günter Kremser lucrează ca Analog Field Application Engineer la Texas Instruments în Munchen.
După terminarea studiilor în tehnologia informaţiei în Cologne, acesta a lucrat la EADS în Ulm ca inginer de dezvoltare şi apoi la doi producători de semiconductoare din Munchen înainte să se alăture TI în iunie 2006.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre