Бездротові системи збору даних на базі радіомодулів ml-module-z

У статті представлені радіомодулі ML-Module-Z, призначені для розробки бездротових сенсорних мереж на базі платформи MeshLogic. Розглянуто переваги та недоліки різних архітектур бездротових систем збору даних, в тому числі з точки зору енергоспоживання пристроїв і терміну служби елементів живлення.

Застосування бездротового зв'язку для збору даних актуально в багатьох прикладних задачах, наприклад:

• автоматичний з'їм показань квартирних лічильників;
• системи моніторингу в промислової і домашньої автоматизації;
• моніторинг стану несучих конструкцій будівель і споруд і т. д.

При цьому з боку розробників і кінцевих споживачів постійно зростає інтерес до подібних систем, оскільки з'являються готові рішення, які прості у використанні і дозволяють ефективно вирішити задачу збору даних щодо радіочастотного каналу зв'язку. Одним з таких рішень є вбудовані радіомодулі ML-Module-Z [1] (рис. 1), які засновані на українській платформі MeshLogic для розробки бездротових сенсорних мереж [2, 3], що має безліч переваг щодо інших стандартних і пропрієтарних технологій, зокрема , такі властивості, як:

• повністю многоячейковая топологія мережі;
• самоорганізація і автоматичний пошук маршрутів;
• стійкість до соканальной інтерференції;
• висока масштабованість і надійність доставки даних;
• всі вузли рівноправні і є маршрутизаторами;
• можлива робота всіх вузлів від автономних джерел живлення.

Радіочастотні OEM-модулі ML-Module-Z є закінченим інтегроване рішення, яке дозволяє стороннім розробникам самостійно створювати бездротові мережі за технологією MeshLogic. У радіомодулі вбудована спеціальна версія мережевого стека MeshLogic, оптимізована для побудови розподілених систем збору інформації, в яких безліч пристроїв передають дані в одну або кілька точок збору (базові станції, шлюзи і т. П.) (Рис. 2).

Головна особливість радіомодулів ML-Module-Z полягає в тому, що всі вони однакові і є маршрутизаторами, тобто здатні в разі потреби ретранслювати пакети, але при цьому автоматично переходять в «сплячий» режим, значно скорочуючи середнє енергоспоживання і збільшуючи термін служби елементів живлення . Для переходу маршрутизаторів в черговий режим не потрібно налаштовувати синхронізований доступ до середовища або ставити якісь інші параметри, оскільки радіомодулі самостійно визначають оптимальний режим роботи в залежності від поточної мережевого навантаження.

Зауважимо, що далеко не всі представлені на ринку рішення дозволяють створювати повноцінні mesh-мережі, в яких всі вузли здатні виконувати ретрансляцію при роботі від автономних елементів живлення. Наприклад, в більшості практичних ситуацій в мережах ZigBee маршрутизатори вимагають стаціонарного харчування, так як повинні постійно перебувати в режимі прослуховування каналу.

опис радиомодуля

Радіомодуль ML-Module-Z (рис. 3) складається з мікроконтролера, приймача стандарту IEEE 802.15.4, 48-бітного серійного номера, флеш-пам'яті ємністю 4 Мбайт і передбачає два варіанти підключення 50-омной антени: через контактні площадки або U. FL-роз'єм. Основні технічні характеристики радиомодуля наведені в таблиці.

Таблиця. Основні технічні характеристики

На рис. 4 показана структурна схема типового виробу на базі радиомодуля ML-Module-Z. Як правило, хост-пристроєм є мікроконтролер, який підключений до радіомодулів по послідовному інтерфейсу UART і декільком цифровим лініях управління.

Мікроконтролер періодично опитує підключені до нього датчики або інші джерела сигналів (наприклад, лічильники, витратоміри і т. Д.), Виконує попередню обробку вимірювань і передає результат однієї з базових станцій (рис. 2).

Якщо все кінцеві пристрої передають дані в одну точку збору, то можливе перевантаження мережі або значне скорочення часу її життя через зростання трафіку в міру наближення до базової станції. Установка в мережі декількох точок збору дозволяє знизити вплив цього ефекту за рахунок розділення потоків трафіку, а також підвищує надійність системи збору даних. Поточна версія стека радіомодулів ML-Module-Z підтримує до чотирьох базових станцій в мережі, при цьому в процесі функціонування можна будь-модуль перевести з режиму кінцевого пристрою в режим базової станції і назад, так як все радіомодулі мають ідентичне програмне забезпечення.

У радіомодулів передбачена функція вимірювання напруги джерела живлення (сигнал PM на рис. 4), використання якої рекомендується при роботі пристрою від автономного джерела живлення (наприклад, від батарей або акумуляторів), так як в цьому випадку модуль здатний використовувати цю інформацію для більш раціонального витрачання запасу енергії. Ефективність такого підходу наочно продемонстрована в статті [3].

На цільову плату радіомодуль встановлюється SMD-монтажем або через штирові роз'єми. Чіп-антена або антена у вигляді провідника на друкованої платі підключається до модуля через контактні площадки. При монтажі модуля на штирьовий роз'єм і / або при металевому корпусі вироби необхідно застосування зовнішньої антени, яка підключається до радіомодулів через кабельну збірку, наприклад U.FL-SMA (RP).

Архітектура мережі і енергоспоживання

У технічних характеристиках радиомодуля вказані значення струму споживання в різних режимах роботи, але на практиці необхідно знати середнє значення, від якого залежить термін служби елемента живлення - принципово важливого параметра для більшості додатків збору даних. Середнє енергоспоживання радиомодуля в основному визначається обсягом переданого і прийнятого в одиницю часу трафіку, тому створена спрощена модель енергоспоживання радиомодуля ML-Module-Z [5], яка дозволяє оцінити середню споживану потужність в залежності від наступних параметрів:

При цьому потоки трафіку будуть залежати від обраної архітектури мережі збору даних. За допомогою радіомодулів ML-Module-Z можливо реалізувати дві принципово різні архітектури мережі: топологія «шина-зірка» і многоячейковая мережу. Розглянемо їх основні переваги та недоліки.

При топології «шина-зірка» (рис. 5) мережа складається з концентраторів, які з'єднані між собою провідний шиною для передачі даних і стаціонарного харчування, і кінцевих пристроїв, які по радіоканалу обмінюються даними з найближчим концентратором і працюють від автономного джерела живлення.

Така архітектура мережі відрізняється високою масштабованість і простотою супроводу, так як дозволяє додавати і видаляти пристрої без істотного впливу на інші елементи мережі.

Крім того, оскільки бездротова частина мережі організована по топології «зірка» та концентратор має стаціонарне харчування, то термін служби елементів живлення кінцевих пристроїв може бути дуже тривалим. Наприклад, на рис. 6 приведена середня споживана потужність радиомодуля ML-Module-Z кінцевого пристрою в залежності від періоду передачі повідомлень концентратора. Видно, що термін служби двох лужних батарей формату AA може скласти кілька років.

Застосування архітектури «шина-зірка» доцільно, наприклад, для збору свідчень квартирних лічильників в автоматизованих системах комерційного обліку енергоресурсів, оскільки практично завжди є можливість встановити концентратори на поверхах і прокласти між ними кабель, а до приладів обліку підключати бездротові радіомодулі з автономним елементом харчування. Однак топологія «шина-зірка» не володіє достатньою гнучкістю і не завжди може бути застосована, тому багато завдань вимагають використання технологій бездротових многоячейкових мереж.

У радіомодулів ML-Module-Z реалізована підтримка многоячейкових мереж, в яких всі вузли є маршрутизаторами, що дозволяє будувати більш надійні та економічно розвинені системи (рис. 7).

Але в такому випадку середнє енергоспоживання вузлів зростає (рис. 8) і його розрахунок стає більш складним, так як необхідно розглядати сумарний мережевий трафік, тобто враховувати як пакети даних, джерелом яких є безпосередньо сам радіомодуль, так і пакети, які він приймає і передає, виконуючи функції ретранслятора.

Отже, середній струм споживання радиомодуля істотно залежить від його положення в топології мережі і напрямків проходження мережевого трафіку, але, як правило, при проектуванні мережі досить приблизно оцінити її топологію і характер розподілу потоків трафіку для визначення вузла, що зазнає максимальну мережеву навантаження. Оскільки енергоспоживання даного вузла буде максимально серед інших вузлів, то за відповідним йому значенням Pmax (мВт) можна отримати номер найнижчого величини терміну служби елемента живлення за формулою Tmin = Cbat / (24 · Pmax), днів, де Cbat - ємність елемента живлення (мВт · год).

Як приклад розглянемо мережу з лінійною топологією, в якій N вузлів по ланцюжку з номінальним періодом T передають пакети даних базової станції (рис. 9).

При цьому кожен вузол (крім базової станції і крайнього вузла) здатний зв'язуватися тільки з двома сусідніми вузлами, а період передачі широкомовних пакетів дорівнює Tb. Тоді вузол, що знаходиться на відстані h проміжних передач до базової станції, відчуває таку мережеву навантаження: Ttxu = T / (N -h +1), Trxu = T / (N -h), Ttxb = Tb. Trxb = 2Tb. На рис. 10 представлений результат розрахунку для мережі з N = 10 вузлів і Tb = 30 хв. Видно, що середні значення споживаних потужностей найближчого до базової станції вузла і крайнього вузла значно відрізняються, при цьому різниця збільшується в міру зростання кількості вузлів в мережі і, отже, довжини маршрутів, а також інтенсивності генерації трафіку.

Вище було розглянуто енергоспоживання безпосередньо радиомодуля, в той час як для виробу в цілому необхідно враховувати також витрати енергії на роботу хост-пристрої, на опитування зовнішніх датчиків і т. Д. Зазвичай ці величини нехтує малі в порівнянні з споживаної потужністю модуля, але в деяких випадках їх також слід враховувати при оцінці терміну служби бездротового вузла.

Висновок радіомодулі ML-Module-Z

Можливість успішного практичного впровадження технології бездротових сенсорних мереж багато в чому визначається наявністю готових продуктів, які прості у використанні, володіють необхідною функціональністю і ефективно вирішують поставлені завдання. Одним з таких продуктів є радіочастотні радіомодулі ML-Module-Z на базі платформи MeshLogic.

Вбудовувані радіомодулі ML-Module-Z повністю реалізують всі функції по роботі з радіоканалом і мережевим взаємодією, скорочуючи термін і вартість розробки бездротової сенсорної мережі для розподіленого збору інформації. На відміну від інших рішень інтегрована в них версія стека MeshLogic відрізняється простою системою команд і мінімальною кількістю налаштувань, але при цьому забезпечується висока ефективність і гнучкість системи.

Крім того, важливою перевагою модулів є той факт, що вони розроблені та виготовлені українською компанією, тому споживачі отримують технічну документацію і підтримку російською мовою з перших рук.

література

Інші статті на цю тему:

Якщо Ви помітили будь-які неточності в статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію і т.п.), прохання повідомити нам про це. Будь ласка вкажіть посилання на сторінку і будьте готовими описати проблему.