Проектирование малопотребляющих беспроводных модулей. Особенности и тенденции.

Проектирование малопотребляющих беспроводных модулей. Особенности и тенденции.

Развитие современных технологий в микроэлектронике и разработка соответствующих международных стандартов альянсами ведущих производителей вызвала наблюдаемый в последние годы устойчивый рост на рынке маломощных систем беспроводной передачи данных. Основной причиной успеха технологии Bluetooth в начале прошлого десятилетия, а также последовавшей за ней технологии WiFi является то, что используемый ими диапазон частот - 2,4 ГГц не требует лицензий и разрешения практически во всех странах мира.

В дальнейшем усилия разработчиков были направлены на развитие вышеупомянутых технологий и создание новых (рис. 1) с целью обеспечения больших расстояний, увеличения числа узлов сети, снижения энергопотребления и придания системам некоторых новых свойств, таких как самопостроение и самовосстановление. Основными объектами разработок были структуры ЖКХ, пожароохранные комплексы, системы мониторинга жилых здания, а также промышленная автоматизация и телеметрия. Было разработано множество претендующих на глобальность стандартов, самым известным и успешным из которых на сегодняшний день является, пожалуй, стандарт ZigBee. Благодаря стараниям ZigBee-альянса, который объединяет таких гигантов, как Texas Instruments, Philips, Samsung и многих других, стандарт нашел широкое применение в медицине, спорте, системах типа «Умный дом» и т.д.

Рисунок 1

Однако, некоторые отрицательные факторы, которые на волне первоначальной эйфории представлялись малозначительными или легко преодолимыми, в итоге оказали значительное сдерживающее влияние на распространение этой технологии. Сюда можно отнести, прежде всего, факторы, связанные с особенностями распространения радиоволн диапазона 2,4 ГГц. При планировании систем мониторинга зданий, высокое затухание в железобетонных конструкциях, присущее данному диапазону, вынуждает системных интеграторов прибегать к тщательному планированию сети и увеличению числа промежуточных узлов, что в итоге неблагоприятно сказывается на стоимости развертывания и эксплуатации системы. Для систем, предназначенных для использования вне помещений, приходится учитывать сезонные изменения, такие как наличие на трассе распространения сигнала растительности, листва которой может оказать серьезное влияние на надежность беспроводного канала передачи данных. Это обстоятельство, вместе с необходимостью учитывать дополнительное ослабление радиосигнала, вызванное атмосферными осадками, вынуждает разработчика закладывать при проектировании значительный запас по энергетическому потенциалу, что приводит к уменьшению зоны покрытия при заданном числе узлов и удорожает решение. Суммируя приведенные выше факты, можно констатировать, что решения, хорошо зарекомендовавшие себя при небольших расстояниях между узлами сети, а также предназначенные для работы внутри однообъемных помещений, оказались плохо приспособленными для развертывания в современных многоэтажных зданиях или для передачи данных на значительные расстояния (порядка единиц километров) вне строений.

Кроме физических аспектов, сдерживающих применение технологии ZigBee для целого ряда перспективных областей, имеется и другая группа факторов. К ним, в частности, принадлежат: неоднородность сети, которая предполагает наличие трех различных типов узлов (Координатор, Маршрутизатор и Конечное устройство), затрудняющая проектирование и развертывание систем; непрозрачность сети с точки зрения интеграции в Интернет, вызывающая необходимость проектирования специализированного шлюза и сложность самого стека протокола ZigBee, которая требует наличия высококвалифицированных разработчиков и увеличивает время вывода продукта на рынок.

Как уже отмечалось, одним из наиболее перспективных секторов внедрения маломощных беспроводных систем передачи данных является сфера ЖКХ. Здесь подобные системы находят практически неограниченные области применения. Достаточно сказать, что число беспроводных узлов на одну квартиру может достигать 3-10 единиц. Сюда могут входить: системы сбора показаний со счетчиков электроэнергии, с приборов учета горячей и холодной воды и газа; датчики температуры по помещениям; автономные датчики протечек и т.д. И если внутри квартиры или офиса задача сбора показаний со всех этих приборов может быть относительно легко решена на основе устройств ZigBee, то переход на следующий уровень интеграции – объединение данных из всех квартир многоквартирного дома, особенно в домах повышенной этажности - уже не так легко осуществим на практике. Интегратору приходится прибегать к сложному предварительному исследованию объекта с целью определения количества необходимых дополнительных ретрансляторов и мест их установки с учетом необходимости непрерывного обеспечения их питанием. Кроме этого, обязателен учет максимального числа «хопов» (промежуточных узлов между взаимодействующими узлами сети), которым характеризуется используемая версия протокола ZigBee. Все эти ограничения серьезно тормозят внедрение систем, основанных на данном протоколе.

Вследствие приведенных выше причин внимание значительного числа разработчиков в последние годы обращено на субгигагерцовый диапазон или с (аббревиатура от Sub 1 GHz), как он часто именуется в существующей документации. Данный диапазон в значительной степени свободен от недостатков, присущих диапазону 2,4 ГГц (рис. 2). Основной же проблемой при его использовании является имеющиеся региональные различия нелицензируемых участков и порядок их использования. В качестве универсального решения ведущие производители микроэлектроники и, в частности, Texas Instruments предлагают многодиапазонные трансиверы, а также микросхемы типа «Система-на-Кристалле» с интегрированным многодиапазонным трансивером. Применяя их, разработчик может получить универсальное решение для всех разрешенных субгигагерцовых диапазонов, как с программной точки зрения, так и с точки зрения схемотехники. Изделия в таком случае будут отличаться только номиналами дискретных элементов в радиочастотной части устройства, а также типом используемой антенны. При использовании же современных интегральных элементов радиотракта типа «балун» (дифференциальный трансформатор) адаптация модуля для работы в другом участке субгигагерцового диапазона будет сведена только к установке соответствующего выбранной частоте интегрального дифференциального трансформатора. Необходимо также отметить, что размеры субгигагерцовых антенн несколько больше размеров антенн диапазона 2,4 ГГц. Поглощение в железобетонных конструкциях для данного диапазона в несколько раз ниже, что позволяет обойтись заметно меньшим количеством ретрансляторов при развертывании сети, а также допускает не столь тщательное предварительное планирование, снижая в итоге стоимость конечной системы. Кроме этого, дальность устойчивой связи в условиях прямой видимости может достигать десятков километров. Однако платой за это является меньшая максимальная скорость передачи, по сравнению с системами диапазона 2,4 ГГц.

Рисунок 2

Повышенный интерес к данному диапазону стимулирует разработку соответствующих стандартов. В настоящее время доступно несколько стеков протоколов для использования в данном диапазоне. Они отличаются типом используемой архитектуры - «простая звезда», «звезда с повторителями», ячеистая (mesh) сеть или простейшая типа «точка-точка». В качестве стека, реализующего схему «простая звезда» или «звезда с повторителями» можно указать проприетарный стек SimpliciTI от Texas Instruments. Число узлов сети, построенной на основе этого стека, может достигать нескольких сотен. Основным предназначением SimpliciTI является организация простейших систем сбора данных, поступающих от беспроводных датчиков, в том числе и с автономным (батарейным) питанием. Следствием такой простоты является отсутствие таких важных с точки зрения системного интегратора свойств, как самопостроение и самовосстановление сети. Для субгигагерцовых сетей с ячеистой архитектурой к настоящему моменту к коммерческому использованию готово только решение от партнера компании Texas Instruments – фирмы Sensinode. Уникальностью данного стека является использование протокола 6LoWPAN с IPv6-адресацией. Данный протокол разработан соответствующей группой IETF (организация, разрабатывающая стандарты в области Интернета) и предполагает поддержку стандартных взаимодействий на основе протоколов UDP, ICMP и др., что делает сеть полностью прозрачной с точки зрения разработчика прикладного программного обеспечения за счет использования сокетов для организации связи с узлами сети. Благодаря таким свойствам сети, как самопостроение, самовосстановление, автоматическая маршрутизация, а также использование сокетов разработчику прикладного ПО не надо вникать во все тонкости функционирования беспроводной сети. Для клиентов, экономящих время или не имеющих возможностей для разработки собственного ПО, компания Sensinode предлагает готовые «облачные» решения. Недостатком стека является невозможность применения узлов с батарейным питанием, поскольку каждый узел сети является маршрутизатором и предполагает наличие постоянного питания, что ограничивает сферу возможных применений. Однако для систем дистанционного сбора показаний с электросчетчиков, которые в настоящий момент широко внедряются на территории РФ, данное решение является практически оптимальным. Следует также добавить, что фирмой Sensinode уже анонсирован модифицированный стек 6LoWPAN, который предусматривает наличие «спящих» маршрутизаторов, что позволит в дальнейшем расширить возможности внедренных ранее систем, например, за счет интеграции в них приборов учета воды. Необходимо также отметить, что интенсивные работы по стандартизации для субгигагерцового диапазона ведутся и ZigBee-альянсом. Так, 27 марта 2013 года им анонсирован выход финальной спецификации ZigBee IP, также использующей IPv6 и имеющей основные цели, аналогичные протоколу от Sensinode. К сожалению, на момент написания статьи ни один из производителей не представил стек протоколов, работающий в соответствии с ZigBee IP, поэтому о его практических характеристиках судить пока трудно.

Наличие нескольких нелицензируемых диапазонов для выбора рабочих частот системы, доступность целого спектра протоколов и широкий выбор предложений для реализации аппаратной части неизбежно ставит перед проектировщиками ряд вопросов:

1. Интегрировать ли трансивер или радиочастотную Систему-на-Кристалле на основную печатную плату или применить модульный подход?

2. Применять радиомодули собственной разработки или воспользоваться продукцией сторонних производителей?

3. Использовать готовые стеки протоколов или разрабатывать собственные?

4. Отдать предпочтение проприетарным внутрифирменным протоколам или применить решение, претендующее на роль мирового стандарта и поддерживаемое альянсами крупных компаний?

На основании более чем пятилетнего опыта разработки и внедрения беспроводных систем специалисты фирмы «Системы, модули и компоненты» («СМК») на эти вопросы дают следующие ответы:

1. Размещать радиочастотную часть на основной плате нецелесообразно по нескольким причинам.

Во-первых, имеются значительные трудности при обеспечении сплошного «земляного» слоя под элементами радиочастотной части, которая делает недоступной для трассировки значительную площадь печатной платы, что особенно актуально для двухсторонних плат с высокоплотным размещением элементов. Данное требование диктуется теорией распространения СВЧ-сигнала для обеспечения необходимых волновых импедансов. Недостаточная площадь «земляного» полигона и несоответствие импедансов может стать причиной снижения мощности, подводимой к антенне, а также снижения чувствительности приемника.

Во-вторых, расположение радиочастотного тракта в непосредственной близости от аналоговых элементов схемы, кварцевых резонаторов и т.п может послужить причиной наличия в них наводок и помех. В таком случае потребуется более тщательная расстановка компонентов и трассировка проводников. В ряде случаев не удается обойтись без экранирования.

В третьих, в случае интегрированного подхода при разработке очередного устройства для беспроводной системы, потребуется верификация радиочастотной части на соответствие вышеописанным требованиям. В то время, как при модульном подходе разработанный радиомодуль можно повторно использовать в последующих разработках без проведения сложного анализа, экономя, таким образом, время и средства. Например, фирмой «СМК» серийно выпускаются миниатюрные модули для работы в диапазоне 2,4 ГГц и предназначенные, в основном, для организации дистанционного управления бытовыми приборами, а также системами типа «Умный дом» в соответствии с протоколом RF4CE. Эти модули имеют низкий профиль, содержат интегрированную печатную антенну и имеют универсальные периферийные контактные площадки для монтажа пайкой непосредственно на основную плату. Таким образом, например, при разработке новой модели пульта дистанционного управления проектировщик может использовать дешевую одностороннюю основную плату, которая содержит только кнопки управления (в базовой версии поддерживается до 54 кнопок) и посадочное место под радиомодуль 16х27 мм (рис. 3), который припаивается непосредственно на плату и выполняет все остальные функции. Как показывает опыт фирмы «Системы, модули и компоненты», интегрировать радиочастотную часть на основную плату становится экономически выгодно только при использовании печатной платы с числом слоев не менее 4-х, при наличии строгих массогабаритных ограничений, а также при достаточно большой партии продукции. Необходимым условием успеха является также достаточно высокая квалификация персонала.

Рисунок 3

Рисунок 4