О выборе радиомодема для производственно-технологических сетей обмена цифровыми данными и дистанционного управления

Бурное развитие беспроводных технологий сбора данных, появление на рынке всё новых и новых технологических решений и устройств на их основе ставит потенциального потребителя перед нелёгким выбором: какую технологию и какой радиомодем применить для решения своей задачи? В данной статье даются рекомендации по выбору технологии и оборудования для по строения беспроводных производственно-технологических сетей сбора данных и дистанционного управления в промышленности, на транспорте, в энергетике, добывающих отраслях, коммунальном хозяйстве, складской деятельности, торговле, банковской сфере. Рассматриваются только технологии и средства малого радиуса действия с упрощённой процедурой регистрации или не подлежащие регистрации в Федеральной службе по надзору в сфере связи. За рамками рассмотрения остаются также радиомодемы сотовых сетей подвижной связи, которые хотя и упрощают задачу построения радиосетей масштаба города или области, но вносят большие задержки в доставку сообщений, часто неприемлемые для технологических процессов, не обеспечивают гарантированную доставку сообщений из-за возможной перегрузки сети и связаны с дополнительными эксплуатационными расходами по оплате услуг оператора сотовой связи.

Критерии выбора технологий и средств малого радиуса действия:

• соответствие между назначением беспроводной технологии и задачей пользователя;
• малое энергопотребление;
• радиус действия радиолинии;
• соответствие особенностям национального регулирования в использовании полос радиочастот на безлицензионной основе.

Беспроводные технологии сбора данных можно условно разделить по размерам области территориального охвата на городские (MAN), локальные (LAN) и персональные (PAN). Развитие беспроводных технологий обмена данными началось с создания технологии Wi-Fi в середине 90-х годов. Wi-Fi является технологией локальных компьютерных сетей LAN. Совершенствование этой технологии шло по пути увеличения скорости обмена цифровыми данными от 1 Мбит/с до 54 Мбит/с. В России Wi-Fi используется двояко: операторами сетей беспроводного доступа в масштабах района, города, области (MAN) и во внутриофисных локальных сетях (LAN).

Технология Wi-Fi обеспечивает беспроводный доступ стационарных и переносных компьютеров. Создатели новой технологии WiMax ставят задачу широкополосного беспроводного доступа мобильных компьютеров в масштабах города и области (MAN) по принципам сотовой связи. WiMax характеризуется ещё большей скоростью сбора данных, что стимулируется развитием информационных технологий и глобальной сети Internet.

В конце 90-х годов была предложена технология беспроводной связи Bluetooth, а затем разработан соответствующий стандарт IEEE 802.15.1. Основное назначение Bluetooth - обеспечение беспроводной связи между мобильными телефонами и другими устройствами. Поэтому эта технология ориентирована, прежде всего, на передачу речи (беспроводные гарнитуры, беспроводная телефония), хотя есть и другие: доступ к локальным сетям LAN, удалённый доступ через сотовый телефон, передача файлов. Эфирная скорость обмена данными в Bluetooth — от 1 до 3 Мбит/с, поэтому технология Bluetooth уступает технологии Wi-Fi в пропускной способности при доступе к локальным сетям. С другой стороны, с уменьшением скорости передачи снижается потребляемая мощность, что важно для переносной аппаратуры.

Достижением последних лет стало создание технологии персональных беспроводных сетей (PAN) мониторинга и управления - ZigBee. Физический и MAC уровни ZigBee стандартизированы открытым стандартом IEEE 802.15.4. Протоколы верхних уровней, сетевого и прикладного, стандартизированы открытым стандартом альянса ZigBee. За счёт относительно низкой эфирной скорости передачи и меньшей мощности передатчика достигается высокая экономичность, поэтому технология ZigBee лучше других стандартных технологий подходит для беспроводных датчиков, пультов управления и исполнительных устройств с автономным питанием. ZigBee определяет разную эфирную скорость передачи для разных диапазонов частот. Для нелицензируемого диапазона ISM 2,4 ГГц (Америка и Европа) определена скорость передачи 250 кбит/с и 16 рабочих каналов, для ISM 915 МГц (Америка) - 40 кбит/с и 10 каналов, для ISM 868 МГц (Европа) - 20 кбит/с и один канал.

Перечисленные стандартные технологии беспроводной передачи данных имеют сильные и слабые стороны:

• Радиус действия. Устройства Bluetooth предназначены для использования на расстояниях до 10 м, но имеют внутриофисный вариант для расстояний до 100 м. Wi-Fi и ZigBee изначально были предназначены для расстояний до 100 м. Однако ни одна из этих стандартных технологий не обеспечивает необходимую для производственно-технологических сетей дальность радиообмена (1000-3000 м) на открытом пространстве.
• Топология. Bluetooth не является сетевой технологией, а предназначена для соединений master-slave и в этом аналогична проводной технологии USB. В пикоячейке может быть несколько (до семи) slave-устройств и только одно master-устройство (возможно пересечение пикоячеек на устройствах master/slave или slave/slave). Напротив, Wi-Fi является сетевой технологией с вариантами непосредственной связи узлов или через точки доступа. Сетевая технология ZigBee включает топологические варианты Bluetooth и Wi-Fi. Кроме того, она обеспечивает возможность построения сетей (с топологией в виде дерева групп или ячеистой сети), распределённых на большой территории. Связность сети достигается за счёт ретрансляции пакетов узлами сети и динамической маршрутиза ции. Из перечисленных стандартных беспроводных технологий наиболее соответствует задаче построения производственно-технологических сетей обмена данными и дистанционного управления сетевая технология ZigBee.
• Потребляемая мощность. По уровню энергопотребления технология Wi-Fi самая неэкономичная. Объясняется это высокой скоростью передачи, от носительно большой мощностью передатчиков (100 мВт), необходимой для обеспечения радиуса действия локальной сети в пределах здания, а так же большим расходом энергии на служебный радиообмен актуализации данных о структуре сети. Технология Bluetooth занимает промежуточное положение по энергопотреблению. Обусловлено это как промежуточным значением скорости передачи, так и энергосберегающим алгоритмом работы, при котором аппаратура выходит из «спящего» режима только при необходимости обмена цифровыми данными. Наиболее экономична аппаратура ZigBee, так как она имеет самую низкую скорость передачи и обеспечивает радиус действия до 100 м при малой мощности передатчика. ZigBee имеет также наиболее простой стек протоколов (типовые значения: 4K в минимальном варианте и 32K — в полнофункциональном), что определяет низкое энергопотребление устройства обработки сигналов на микроконтроллере. Поэтому сетевая технология ZigBee и по мощности потребления аппаратуры более других стандартных технологий подходит для построения производственно-технологических сетей сбора данных и дистанционного управления.

Кроме оборудования упомянутых стандартных технологий на российском рынке предлагается оборудование беспроводной передачи данных с фирменными протоколами. Это радиомодули и радиомодемы Nanonet фирмы Nanotron, XStream фирмы MaxStream, Wavenis фирмы Coronis Systems. Все перечисленные устройства работают в диапазоне частот 2,4 ГГц. В радиомодулях Nanonet используется расширение спектра методом линейной частотной модуляции и дисперсионные линии задержки на ПАВ для формирования на передаче и свёртки сигнала на приёме. В силу ограничений размеров кристалла устройств на ПАВ в радиомодулях Nanonet реализована высокая скорость сбора данных 2 Мбит/с, что обусловливает низкую чувствительность приёмника и малый радиус действия радиолинии. В радиомодеме Xstream используется псевдослучайная перестройка частоты с низкой скоростью передачи данных. Однако большая дальность радиосвязи достигается в этом радиомодеме не за счёт высокой чувствительности приёмника, а за счёт повышенной мощности передатчика. Энергопотребление Xstream также оставляет желать лучшего. Из перечисленных нестандартных технологий по критериям экономичности и радиусу действия наиболее подходит для применения в производственно-технологических радиолиниях технология Wavenis. Однако, так же как и прототипная технология Bluetooth, технология Wavenis не является сетевой технологией.

На российском рынке оборудования беспроводной обмена данными замет¬ное место занимают радиомодемы малого радиуса действия диапазона ISM 433 МГц433 МГц (см. таблицу). Объясняется это особенностью национального регулирования в использовании полос радиочастот на безлицензионной основе.

Под безлицензионной основой использования полос радиочастот понимается право применения в этой полосе радиоэлектронных средств (РЭС) с определёнными техническими характеристиками без регистрации в Федеральной службе по надзору в сфере связи. Перечень таких РЭС с указанием технических характеристик в последней редакции утверждён постановлением Правительства РФ от 12 октября 2004 года № 539. РЭС дистанционного управления, охранной сигнализации и оповещения в полосе радиочастот 433,075-434,79 МГц с мощностью передатчика до 10 мВт входят в этот перечень начиная с его первой редакции. Последняя редакция дополнена аналогичными РЭС в полосе радиочастот 868-868,2 МГц и РЭС технологии Bluetooth в полосе радиочастот 2400-2483,5 МГц с мощностью передатчика до 2,5 мВт. РЭС внутриофисных систем сбора данных технологии Wi-Fi, внутриофисных систем технологии Bluetooth (с мощностью передатчика 100 мВт), а также РЭС технологии ZigBee в этом перечне отсутствуют. Более того, если предполагается использовать оборудование Wi-Fi или Bluetooth (Bluetooth мощностью более 2,5 мВт) не во внутриофисной сети (то есть не внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий), то кроме регистрации РЭС необходимо ещё и получение разрешения на использование радиочастот.

Несмотря на ограничение мощности передатчика радиомодемов диапазона ISM 433 МГц уровнем 10 мВт, они обеспечивают значительно бoльшую дальность связи, чем радиомодемы технологий Wi-Fi и Bluetooth при мощности передатчика 100 мВт и вышеупомянутые радиомодемы нестандартных технологий диапазона ISM 2,4 ГГц (при ограничении мощности передатчика уровнем 10 мВт). Это обусловлено использованием в диапазоне 433 МГц низких скоростей обмена данными и, как следствие, лучшей энергетикой радиоканала. Кроме того, пространственное затухание радиоволн зависит от их частоты — на низких частотах (433 МГц) затухание меньше. Радиомодемы диапазона ISM 433 МГц лучше работают в нестационарном канале с переменным количеством лучей, вызванным движением мобильных объектов, оснащенных радиомодемами, или объектов на трассе распространения радиоволн. Ведь относительная скорость изменения параметров радиоканала уменьшается со снижением рабочей частоты и скорости сбора данных. По экономичности расхода энергии источника питания радиомодемы диапазона ISM 433 МГц превосходят даже радиомодемы технологии ZigBee (несмотря на бoльшую мощность передатчика).

Из всего этого следует вывод: лучшим решением для построения беспроводных производственно-технологических сетей обмена данными и дистанционного управления в российских условиях является применение радиомодемов диапазона ISM 433 МГц. Прогресс в элементной базе привёл к появлению на рынке функционально законченных радиомодемов в виде миниатюрных модулей, пригодных для использования в малогабаритных датчиках и пультах дистанционного управления с батарейным питанием. Так, радиомодем РМД400-OEM (см. таблицу), построенный на микросхеме приёмопередатчика CC1020 фирмы Chipcon, выполнен в виде модуля типоразмера DIP40. Альтернативные решения на микросхеме приёмопередатчика XE1202 фирмы Xemics (ныне фирма Semtech) имеют сравнимые габаритные размеры, но уступают в дальности радиосвязи по причине низкой чувствительности приёмника в диапазоне 433 МГц.

Таблица. Характеристики радиомодемов малого радиуса действия

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ N1'05
Анатолий Сартаков, к. т. н.
mailbox@kb-mars.ru
www.kb-mars.ru

Материал размещен с любезного разрешения автора