Радиомодули для беспроводной передачи данных. Ч асть 3. — Подручные Записки

Александр Калачев (г. Барнаул)

Беспроводные решения при организации сети учета и контроля расходования энергии в жилом фонде экономичнее проводных в два раза. А гибкость таких решений разработчику обеспечит семейство энергоэффективных беспроводных устройств диапазона <1 ГГц от компании Texas Instruments. В первой половине 2023 года компания расширила линейку интегральных приемопередатчиков, добавив к популярной модели CC1101 высокопроизводительные изделия серии Performance (CC1120, CC1101…CC1121) и бюджетные изделия серии Value (СС110L, CC113L, CC115L).

Одним из перспективных секторов рынка в России является автоматизация в области жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), особенно в области учета потребления ресурсов. Причем остро данная проблема стоит для всех сторон, преследующих порой совершенно разные цели – это поставщики ресурсов или услуг, посредники-распределители, и, конечно, потребители. Одним требуется как можно более полный учет потребления, другим важна динамика потребления ресурсов и низкая стоимость внедрения и владения системой учета, третьи заинтересованы в прозрачности процесса формирования тарифов и начисления счетов.

Основные ресурсы, подлежащие учету – электроэнергия, вода, газ, тепло. Системы, позволяющие автоматически учитывать все эти ресурсы на определенном объекте или объектах, носят название – автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ). Безусловно, построение АСКУЭ – задача не простая, и требующая индивидуального подхода для каждого случая, к тому же требуется решение как инженерных, так и организационных задач [1].

Обычно в АСКУЭ выделяют несколько уровней:

• уровень сбора информации;
• уровень передачи информации (связующий);
• уровень сбора, анализа и хранения данных.

При этом имеем обратную зависимость между количеством отдельных устройств на каждом из уровней и потоками данных, с которыми им приходится оперировать (наибольшее количество устройств будет на уровне сбора данных, а наибольший поток данных – на уровне сбора и анализа данных).

Внедрение единой системы учета энергоресурсов – проблемы и вызовы

С точки зрения встраиваемых систем наиболее интересны первые два уровня. В организационном плане имеем взаимодействие между конечными потребителями (квартиросъемщики, юридические или частные лица – объекты учета (точнее ресурсы, ими потребляемые)) и одним или несколькими посредниками (товарищества собственников жилья – ТСЖ, жилищно-эксплуатационные управления – ЖЭУ, управляющие компании – субъекты учета). В инженерном плане – задачи размещения датчиков и счетчиков, организация транспортировки данных, совместной работы всех систем учета. При этом в настоящее время практикуется как поквартирный, так и подомовой учет ресурсов.

Рассмотрим взаимодействие между субъектом учета и конечными потребителями. Можно выделить несколько характерных ситуаций, наблюдаемых в населенных пунктах.

Несколько многоквартирных домов, обслуживаемых одним субъектом учета. Данный случай представляется практически идеальным, так как расположение объектов учета относительно компактное (площадь порядка нескольких гектар ~200×300 метров), количество объектов также относительно невелико – в районе единиц тысяч.

Отдельные микрорайоны или жилищные массивы. Ситуация чаще всего встречается в районах новостроек, когда один или несколько кварталов застраивает одно предприятие, в населенных пунктах, где это географически целесообразно (например из-за особенностей рельефа), или в случае существующих (существовавших) районо- и градообразующих предприятий. Случай характерен достаточно большой площадью территории (речь может идти о десятках квадратных километров) и очень большим количеством объектов учета – для небольшого городского микрорайона эта цифра составляет примерно 30-50 тысяч объектов.

Коттеджные поселки, населенные пункты сельского типа. Характерны большой занимаемой площадью – в несколько десятков квадратных километров (ситуация может быть усложнена особенностями рельефа), относительно небольшим количеством объектов учета.

В случае поквартирного учета в каждой квартире устанавливается набор счетчиков – электричества, расхода газа, расхода воды (отдельно холодная, горячая, возможно – канализация), теплосчетчик – т.е. порядка четырех-пяти устройств. Для их установки необходима некая система питания и среда передачи данных. Конечно, в случае новостроек наличие датчиков можно предусмотреть и заложить соответствующие линии в СКС здания, но остается проблема квартир свободной планировки и популярной перепланировки квартиры жильцами уже после сдачи дома. Для уже эксплуатируемых зданий существует проблема установки счетчиков в условиях жилого интерьера. Естественно, существует определенный выбор между проводными и беспроводными способами передачи данных от отдельных счетчиков на квартирный, подъездный или домовой центральный узел.

Беспроводные технологии в АСКУЭ

Рассмотрим подробнее некоторые особенности организации АСКУЭ с использованием беспроводной передачи данных. Основные проблемы:

• переход на автономные источники питания – высокие требования по энергоэффективности приемопередатчиков и управляющих устройств- учитывается время работы устройств без замены источника питания;
• взаимное влияние радио­устройств- однотипные устройства, приборы сигнализации, связи, бытовая электроника- возможная интерференция сигналов, возможность работы нескольких устройств в одном частотном диапазоне, взаимное влияние частотных каналов, селективные возможности приемников;
• обеспечение надежной постоянной связи- наличие препятствий, затухание сигнала с расстоянием, многолучевое распространение- чувствительность приемника, мощность передатчика, способы модуляции сигнала;
• обеспечение информационной безопасности системы – подмена трафика, атаки на доступность, подавление сигнала – модуляция сигнала, шифрование трафика, протоколы обмена.

На данный момент наиболее интересной для реализации беспроводного обмена данными в АСКУЭ представляется низкочастотная часть ISM-диапазона, а именно частоты менее 1 ГГц. Причины этому следующие:

• в диапазоне 433 МГц присутствует большое количество охранных устройств- сигнализации, пожарно-охранные системы
• в диапазоне 2.4 ГГц присутствует большое количество устройств- компьютеры и беспроводное сетевое оборудование, беспроводные наушники, гарнитуры, системы типа «умный дом»;
• сигналы с частотами менее 1ГГц меньше подвержены влиянию препятствий в виде стен, домов, деревьев;
• при равных мощностях могут обеспечить более уверенный прием данных (уменьшение частоты передачи в два раза примерно во столько же увеличивает дальность (формула Фриза)).

Cемейство энергоэффективных беспроводных устройств CC1xxx

Для субгигагерцового диапазона компанией Texas Instruments предлагается достаточно широкий спектр продукции [2]:

В качестве программной поддержки предлагается фирменный стек протоколов SimpliciTI [3], подходящий практически для всех систем на кристалле и связок приемопередатчик микроконтроллер MSP430x. Данный стек протоколов может быть использован для прототипирования беспроводных систем или как основа для сетевых приложений. Помимо этого планируется выпуск нового беспроводного процессора CC1180 для реализации сети 6LoWPAN. Новинка основана на системе на кристалле CC1110F32 с прошитым стеком 6LoWPAN от компании Sensinode [4]

Приемопередатчики CC1101

В основе беспроводных решений TI в рассматриваемом диапазоне лежит хорошо зарекомендовавшая себя архитектура многоканального приемопередатчика CC1101 (рисунок 1) с выходной мощностью до 12 дБм, чувствительностью -112 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных до 600 кбит/с с управлением по интерфейсу SPI [5].

Упрощенная структура приемопередатчика CC1101

Данный приемопередатчик требует для своей работы лишь несколько пассивных компонентов благодаря встроенному частотному синтезатору. Способен работать в частотных диапазонах 300…348, 387…464, 779…928 МГц. Поддерживает несколько режимов частотной и амплитудной модуляции – 2-FSK, 4-FSK, GFSK, MSK и OOK, ASK. Обладает малыми временами выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема или передачи (всего 240 мкс) и установлением частоты синтезатора (75 мкс), что позволяет использовать приемопередатчик в системах, использующих перестройку частоты (FHS). Поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment – CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) (для отдельного пакета) и при помощи индикатора качества связи (LQI) (в целом по статистике успешного/неуспешного приема пакетов).

СС1101 ориентирован на применение в системах с пакетной передачей данных, имеет аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Также имеются два раздельных 64-байтных FIFO-буфера на прием и передачу (настраиваемый индикатор заполнения/опустошения буфера).

Кодовое усиление, как средство повышения надежности связи

Для уменьшения количества ошибок при приеме/передаче данных в CC1101 может быть задействован блок защиты от ошибок (Forward Error Correction – FEC) работающий по принципу избыточного кодирования [4, 5].

Кодирование реализовано при помощи сверточного нерекурсивного кодера (рисунок 2) постоянной длины (4) с частотой потока 1/2 (один входной бит порождает один двухбитовый кодовый символ).

Упрощенная структура приемопередатчика CC1101

Поскольку сверточное кодирование лучше всего работает в условиях случайного появления ошибки в передаваемой/принимаемой битовой последовательности, а природа ошибок в радиоканале чаще всего способствует повреждению нескольких последовательно передаваемых бит дополнительно при передаче/приеме используется блок перемежения/деперемежения. В CC1101 для перемежения используется матрица 4×4 – по одной ячейке на кодированный выходной бит. В итоге полная схема работы блока защиты от ошибок выглядит следующим образом – рисунок 3.

Схема работы блока защиты от ошибок

Следует учитывать, что применение FEC ведет к падению фактической скорости передачи в два раза. Для сохранения прежней скорости передачи данных необходимо будет удвоить битовую скорость (или перейти от двоичного кодирования к четвертичному), что в ряде случаев может потребовать увеличения ширины частотного канала.

Режим Wake-on-Radio в приемопредатчиках CC1101

Приемопередатчик CC1101 является достаточно энергоэффективным решением – так, токи потребления в режиме приема лежат в пределах 14…17 мА, токи в режиме передачи 15…35 мА в зависимости от заданного уровня выходной мощности и частотного диапазона. CC1101 имеет несколько режимов низкого энергопотребления, начиная от уровня 0.2 до 200 мкА – в зависимости от задействованных узлов [4, 6].

В дополнении к этому реализован специальный режим работы – пробуждение по наличию радиосигнала – Wake-on-Radio (WOR). В данном режиме радиоприемная часть CC1101 периодически активируется для прослушивания канала в течение заданного времени для приема пакетов без участия внешнего контроллера. Для этого используется специальный таймер, тактируемый от внутреннего RC-генератора, периодически генерирующий два сигнала – включение регулятора напряжения цифровой части и запуск кварцевого генератора (Event0) – режим IDLE и, через некоторое время, включение режима приема (Event1) – RX. Если в течение установленного времени пакет не пришел, приемопередатчик переходит в режим IDLE, а затем в режим SLEEP. Момент срабатывания Event0 может быть отслежен на одном из GDOx выводов (рисунок 4).

Принцип работы режима Wake-on-Radio

На рисунке 5 качественно показаны уровни потребления тока в режиме WOR.

Качественное распределение потребления тока при работе в режиме Wake-on-Radio

Если пакет пришел – работа устройства в режиме приема продолжится до окончания приема пакета. После этого внешний контроллер должен обработать пакет и перевести приемопередатчик в режим SLEEP командой SWOR. Следует учитывать два факта:

данные пакета теряются при переходе в режим SLEEP;
время на прием, обработку пакета и перевод в спящий режим должно быть меньше периода генерации таймером WOR сигнала Event0.

Применение режима WOR позволяет в несколько раз снизить ток потребления при работе системы на прием пакетов.

CC1101 выпускается в малогабаритном низкопрофильном корпусе – QLP20 – размеры 4×4 мм.

Дальнейшее развитие серии вылилось в начале 2023 года в две линейки продуктов – Perfomance Line и Value Line. Первая ориентирована, прежде всего, на приложения с высокой производительностью, требующие широкого спектра аппаратных возможностей для работы в самых разнообразных условиях. Вторая – линейка недорогих устройств, рассчитанных на массовое применение.

В линейке Perfomance представлены: узкополосный (12.5 кГц/до 8 кГц) многоканальный приемопередатчик CC1120 и модифицированный приемопередатчик CC1101 – CC1121.

В линейку Value вошли приемопередатчик СС110L и отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L – бюджетные микросхемы, совместимые с приемопередатчиками CC1101.

Основные особенности семейства CC11xL

CC110L (рисунок 6) – приемопередатчик для частотных диапазонов 300…348 МГц, 387…464 МГц, и 779…928 МГц, основанный на CC1101 с аналогичными характеристиками производительности радиотракта [8, 9]. Имеет аппаратную поддержку обработки пакетов (детектирование синхрослова, автоматический подсчет контрольной суммы), буферизации данных (FIFO-буферы по 64 байта на прием и передачу), непрерывной передачи больших объемов данных. Наилучшие показатели чувствительности -116 дБм при скорости передачи данных 0.6 кбит/с. Скорость передачи данных варьируется в пределах от 0.6 до 600 кбит/с.

Структура приемопередатчиков серии CC110L

Приемопередатчик поддерживает частотную (2-FSK, 4-FSK, GFSK) и амплитудную (OOK) модуляции сигнала. Время выхода из режима низкого энергопотребления (ток потребления ~200 нА) в режим приема или передачи – порядка 240 мкс. Отсутствие режима пробуждения по наличию радиосигнала (Wake-on-Radio – WOR) и блока коррекции ошибок (Forwarding Error Correction – FEC) несколько снижает функциональность устройства, но зато положительно сказывается на его цене. Отсутствует также аналоговый датчик температуры.

CC110L повыводно и схемотехнически совместим с CC1101 и выпускается в таком же корпусе – QLP20 (4×4 мм).

Для случаев, когда поток данных – только однонаправленный, идеально подойдут отдельные микросхемы приемников CC113L и передатчиков CC115L (рисунки 7 и 8), полностью совместимые с CC110L и имеющие еще меньшую стоимость [10-13].

Структурная схема приемника CC113L

Структурная схема передатчика CC115L

Основные особенности семейства CC112x

Изделия серии CC112x [14-17] являются усовершенствованными версиями приемопередатчика CC1101. Усовершенствования коснулись и радиотракта, и цифровой части, и режимов работы. В результате получился экономичный, высокоизбирательный, высокочувствительный приемопередатчик, что позволяет использовать его в условиях высокого уровня шума, плотного использования радиоканала, высоком уровне интерференционных помех или больших расстояниях между узлами.

Высокопроизводительные многоканальные приемопередатчики CC112х (рисунок 9) обладают максимальной выходной мощностью до 16 дБм, чувствительностью -123 дБм и поддерживаемыми скоростями передачи данных от 1.2 до 200 кбит/с с управлением по интерфейсу SPI. Выходная мощность регулируется с шагом 0.5 дБм, а чувствительность может быть еще улучшена за счет применения схемы кодового усиления до -125 дБм (один информационный бит кодируется четырьмя чипами). Все это позволяет увеличить максимальную дальность передачи на расстояния до 10 километров.

Упрощенная структурная схема приемопередатчиков CC112x

Сердцем приемопередатчика является встроенный частотный синтезатор с низким уровнем фазовых шумов, что способствует высокой избирательности системы.

Приемопередатчик способен работать в частотных диапазонах 164…192, 410…480, 820…960 МГц. Поддерживаются режимы модуляции 2-FSK, 4-FSK, 2-GFSK, 2-GFSK, MSK, OOK, ASK и аналоговая частотная модуляция. По сравнению с СС1101 уменьшено до 150 мкс время выхода из режима низкого энергопотребления в режим приема. Также поддерживается автоматическое прослушивание канала перед началом передачи (Clear Channel Assessment – CCA), имеется программируемый индикатор наличия несущей. Качество приема может быть оценено при помощи измерения уровня принятого сигнала (RSSI) с высокой степенью линейности в широком диапазоне.

СС112х имеют аппаратную поддержку детектирования синхрослова, проверку адреса, автоматический подсчет длины пакета и вычисление контрольной суммы. Добавлена поддержка ретрансляции пакетов, автоматическая отправка подтверждения принятия пакета. Размеры приемного и передающего буфера увеличены до 128 байт каждый, что упрощает передачу больших объемов данных (рисунок 9).

Следует отметить, что в сигнальном тракте СС112х используются цифровые фильтры, обеспечивающие высокую стабильность параметров вне зависимости от напряжения питания и температуры. Благодаря фильтрам обеспечивается высокий уровень подавления сигнала вне текущего частотного канала – более 80 дБ (65 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 12.5 кГц, 90 дБ при отступлении от центральной частоты канала на 10 МГц). Это позволяет применять приемопередатчики в условиях плотного использования частотного диапазона или при большом количестве устройств на одной территории. А это, в свою очередь, повышает совместимость систем, использующих СС112х, как друг с другом, так и с другими системами, использующими радиоканал, и упрощает процесс установки.

Версия СС1120 позволяет использовать ширину канала менее 12.5 кГц – например, при скорости 4.8 кбит/c ширина канала может достигать всего 6.25 кГц.

Новый режим пониженного энергопотребления – Sniff Mode

В серии СС112х был улучшен режим пробуждения для прослушивания канала (пробуждение по наличию радиосигнала) – уменьшено энергопотребление 32 кГц RC-таймера, есть возможность автоматической калибровки таймера.

Важным дополнением к энергосберегающим режимам приемопередатчика стал новый режим прослушивания радиоканала (т.н. Channel Sniff Mode). Приемнику в СС112х требуется всего лишь время четырех бит преамбулы пакета для установления режима, включая компенсацию смещения частоты и автоматическую регулировку усиления. В режиме прослушивания возможность быстрой установки комбинируется с преамбулой большей длины для автоматической периодической проверки наличия сигнала. В этом режиме приемник автоматически через короткие промежутки времени проверяет наличие передачи в канале, после чего отключается, и в следующем периоде времени ситуация повторяется.

Режим прослушивания канала абсолютно прозрачен для пользователя, никак не влияет на характеристики приемопередатчика (чувствительность, избирательность) и позволяет уменьшить энергопотребление в режиме приема. Конечно, среднее потребление в режиме приема будет зависеть от текущей скорости передачи и длины преамбулы, но выигрыш заметен даже при больших скоростях. Так применение данного режима при длине преамбулы 4 бита на скорости 1.2 кбит/с снижает потребление на приеме с 21 мА до 3 мА, а на скорости 50 кбит/с – до 16 мА.

Некоторые сравнительные характеристики приемопередатчиков серий СС1101, СС110L, CC112x представлены в таблице 1 [9, 11, 15, 17].

Таблица 1. Сравнительные характеристики приемопередатчиков серий СС1101, СС110L, CC112x

Отладочная платформа TRXEB

Для оценки возможностей приемопередатчиков серий СС110L предлагается отладочный набор CC110LDK-868-915 [18], содержащий:

• две платы TRXEB;
• два модуля с приемопередатчиками CC110L, по одному оценочному модулю с передатчиками CC115L и приемниками CC113L;
• комплект соединительных кабелей и документации (рисунок10).

Отладочный набор CC110LDK-868-915

Оценочные модули представляют собой печатные платы с установленными беспроводными устройствами, спиральными антеннами и разъемами для подключения внешней антенны.

Плата TRXEB (рисунок 11) содержит микроконтроллер MSP430F5438 MCU, светодиодные индикаторы, разъемы для подключения внешних устройств, оценочных модулей, набор кнопок, индикатор освещенности, трехосевой датчик ускорения, точечный жидкокристаллический экран 128×64 точки.

Отладочная плата TRXEB

В качестве примера в TRXEB предустановлен тест канала передачи данных на ошибки передачи (PER test) и тест на дальность связи, исходные тесты демонстрационной программы также предоставляются. Подключение к персональному компьютеру – через USB-интерфейс.

На этой же плате базируется отладочный комплект (рисунок 12) для представителя линейки Perfomance CC1120 – СС1120DK [19].

Отладочный набор СС1120DK

В его состав входит две платы TRXEB, два модуля с CC1120 в конфигурации на диапазон 868/915 МГц (для других диапазонов модули могут быть заказаны отдельно), две штыревые антенны, набор соединительных кабелей, батареи питания. В качестве примера предварительно прошит тест канала на количество ошибок (PER test).

Немного о затратах на канал передачи данных АСКУЭ

Средняя площадь жилья в России составляет примерно 60-70 кв. метров (учитывались и квартиры, и частные дома) – т.е. если использовать установку счетчиков в пределах квартиры при помощи кабеля – получим около 16-20 метров кабельного канала (в идеальном случае, в реальных ситуациях речь может идти о 30-40 метрах). Средняя стоимость прокладки кабеля колеблется в районе 200 руб/метр в зависимости от конкретных условий. Т.е. исключительно на организацию канала передачи данных возможны затраты порядка 4 тысяч рублей. В этой связи использование беспроводных каналов передачи данных может оказаться предпочтительнее.

Если касаться затрат на беспроводные узлы АСКУЭ, они будут складываться из следующего:

• антенна;
• приемопередатчик;
• управляющий контроллер;
• интерфейс согласования со счетчиком (как правило, счетчики используют интерфейс 485);
• источник питания (аккумуляторная батарея).

Для уровня оптовых цен стоимость одного узла оценивается примерно в 250-400 рублей. С учетом случая одного узла на отдельный счетчик и одного счетчика на каждый из энергоресурсов для одной квартиры стоимость организации беспроводного канала на базе CC11xx оценивается в 1500-2000 рублей, что примерно в два раза лучше, чем для оптимистичного прогноза проводного решения.

Заключение

Из представленных данных видно, что модули CC110L могут быть использованы для эффективной организации радиоканала узлов сети АСКУЭ при относительно небольшой плотности размещения узлов. Отсутствие режима WOR во многих случаях будет означать немного возросшую нагрузку на управляющий контроллер, и это также будет необходимо учесть при построении сетевого протокола (например, работа по расписанию). Для части узлов, например, в счетчиках внутри квартиры или частного дома, в целях снижения стоимости можно использовать микросхемы передатчиков CC115L.

Для работы в условиях плотной застройки оптимальны узкополосные приемопередатчики СС1120, кроме того, с данными приемопередатчиками возможно построение систем с переключением частот, что позволит полнее использовать бюджет частотного диапазона.

Приемопередатчики CC112x также хорошо подходят и для случая сильного территориального разнесения отдельных объектов учета в АСКУЭ.

Наличие готовых решений для печатных плат радиомодулей также можно считать важным преимуществом, т.к. это ощутимо снижает затраты на разработку отдельного узла системы.

Литература