3. Современные беспроводные интерфейсы передачи данных.

Первым шагом разработки стал анализ современных беспроводных интерфейсов передачи данных и выбор наиболее подходящего по следующим критериям:

• Требования к минимальному энергопотреблению.

• Требования к питанию

• Скорость передачи данных(1Мбит/с)

• Излучаемая мощность. Вносимые помехи и восприимчивость к сторонним.

• Топология сети и количество устройств в ней

Для анализа были предложены следующие беспроводные интерфейсы передачи данных: Bluetooth, WI-FI, ZigBee, NFC.

1. Bluetooth

Производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 м друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint».

Скорости передачи:

• Bluetooth 1.2 1мбит/с

• Bluetooth 2.1 + EDR 2-3 мбит/с

• Bluetooth 3.0 + HS  до 24 Мбит/с

• Bluetooth 5.0 (LE) до 24 Мбит/с в актвном режиме, 1 мбит/с в энергосберегающем режиме

1. Для того чтобы оценить энергопотребления была изучена техническая документация модуля Bluegiga BLE113 данного интерфейса (Bluetooth 5.0 (LE))

• Выходная мощность: от -23 до 0 дБм (5мкВт-1 мВт);

• Чувствительность приемника: -93 дБм;

• Встроенная керамическая чип-антенна;

• Диапазон скоростей передаваемых данных: 250 Кбит/с в полосе 4 kHz to 30 kHz

• Энергопотребление: В режиме излучения 18.2 mA,

  • в режиме приёма 14.3 мА,

  • в спящем режиме 0.4 мкA

• Напряжение питания от 2.0 до 3,6 В.

• Диапазон рабочих температур – 40^ОC… + 85^ОC

• Размеры: 15.75x9.15x2.1 мм

Интерфейсы периферийных устройств: UART И SPI, I2C, PWM (ШИМ) и GPIO, 12-разрядный АЦП

2. WI-FI

Технология беспроводной связи, передача данных осуществляется в диапазонах 2400-2483,5 МГц,5150-5350 МГц, 5650-6425 МГц в зависимости от спецификации. Так же в зависимости от спецификации используются различные виды модуляции, кодирование и т.п., из чего следует что характеристики приемо-передающих устройств могут быть разными. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации. Передача на расстояние не более 100 м, количество устройств в сети до 32.

Топологии: независимые базовые зоны обслуживания (Independent Basic Service Sets, IBSSs); базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs); расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs). Скорости передачи данных для различных спецификаций:802.11b (2,4 ГГц)-11Мбит/с, 802.11а (5 ГГц)-54 Мбит/с, 802.11n (2,4\5 ГГц)- 150­600 Мбит/с.

Одной из главных особенностей является технология MIMO. Эта технологий позволяет одновременный приема/передачи нескольких потоков данных через несколько антенн.

Рис.6 Реализация технологии MIMO.

Данная технология помогает успешно бороться с переотражениями сигналов, когда точка доступа и клиент не находятся в прямой видимости, увеличивать символьную скорость передачи данных.

Модуль WizFi210 обладает компактными размерами и низкой стоимостью. Главное отличие модуля

WizFi210 заключается в меньшей мощности излучаемого радиосигнала (встроенный усилитель мощности отсутствует) и, как следствие, в меньшем энергопотреблении в режиме передачи и в меньшей дальности действия.

• Стандарт WiFi 802.11b со скоростью обмена данными по до 11 Мбит/с

• рабочий температурный диапазон (от -40° С до +85° С)

• Функция динамического управления питанием (35 мкА в режиме Standby, Receive = 125.0 mA, Transmit = 135.0 mA)

• Рабочая температура: от -40° С до +85° С

• Размеры: 32х23,5х2,9 мм

• Выходная мощность:8 ± 1 dBm

• Чувствительность: -81dBm

• Интегрированная чип-антенна

• Питание: 3.3V

3. ZigBee

ZigBee работает (ISM-диапазон) радиодиапазонах 868 МГц, 915 МГц, 2.4 ГГц. Шестнадцать каналов имеется в диапазоне 2450 МГц, 10 - в диапазоне 915 МГц, и 1 в диапазоне 868 МГц. Время активации (то есть переход от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, следовательно, длительная работа от батарей.

Основная особенность заключается в том, что спецификация поддерживает сложные беспроводные сети с ячеистой топологией и с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Существуют три различных типа устройств ZigBee:

• координатор, формирует пути дерева сети и может связываться с другими сетями

• маршрутизатор, в качестве промежуточного маршрутизатора

• конечное устройство

Рис.7 Возможный вариант топологии сети ZigBee.

Модуль MRF24J40MA:

• Размер: 17.8 mm x 27.9 mm

• Рабочее напряжение: 2.4-3.6V (3,3 типичное)

• Диапазон температур: от -40 ° C до + 85 °

• Низкий потребляемый ток:

Режим приема: 19 мА

Режим передачи: 23 мА

Сна: 2 мкА

• Скорость передачи данных: 250 кбит

• Чувствительность приемника: -94 дБм

• Мощность передатчика: 0 дБм(регулируемая)

4. NFC

Технология беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия, которая дает возможность обмена данными между устройствами, находящимися на расстоянии около 10 сантиметров.

Основные спецификации:

• Связь поддерживается посредством индукции магнитного поля (ближнего поля)

• ISM диапазон —около 13,56 МГц, с шириной полосы пропускания почти 2 МГц;

• Рабочее расстояние с компактными стандартными антеннами: до 20 см;

• Поддерживаемая скорость передачи данных до 424 Кб/с на 4 см.

• NFC поддерживает топологию точка-тока.

• Существуют 3 режима:

• Пассивный режим связи.

• Активный режим связи: и Инициатор, и Целевое устройство взаимодействуют путем поочередного создания своих собственных полей.

• Передача между равноправными устройствами. Производится обмен между двумя устройствами. При этом за счет собственного источника питания у прослушивающего устройства можно использовать NFC даже при выключенном питании опрашивающего устройства

Параметр	Значение
Частота	13.56MHz
Ток в режиме молчания	10uA
Рабочее расстояние	До 50 мм
Рабочая Температура	-25 ~ +70°C
Потребление	45 мА
напряжение питания	2.5 ~3.6 В
Pазмер	38 × 38 × 3 мм

Таблица 1 Значения параметров модуля

NFC Reader/Writer Module SL060

Проанализировав все представленные выше технологии беспроводной передачи данных можно сделать выбор, опираясь на таблицу 2.

	ZigBee	Bluetooth	Wi-Fi	NFC
Частотный диапазон, ГГц	2,4	2,4	2,4/5	13,56 МГц
Скорость передачи данных, кбит/с	250	250(4.0) 650(4.2)	11-600 Мбит/с	до 425Кбит/с (при10 см)
Дальность связи, м	10-75	класс 1 — 100;  класс 2 — 10;  класс 3 — 1	Менее 100	До 0,2
Потребление тока, active /sleep	15мкА/2мкА	13мкА/1,9мкА	130мА/35мкА	при записи – 0.4 мА, при чтении – 0.2 мА.
Габариты, мм	17.8 x 27.9 х2	12x22x2.4	32х23,5х2,9	38 × 38 × 3
Топология системы	«точка–точка»,  «звезда», mesh	«точка–точка»,  «звезда»,	«точка–точка», звезда	«точка–точка»
Мощность	-25-0 дБм	от -23 до 0 дБм	8 ± 1 дБм	-18 дБм-0дБм

Таблица2 Сравнение беспроводных интерфейсов.

В качестве основы для разработки был выбран интерфейс ZigBee так как он удовлетворяет основные требования, предъявляемые к разрабатываемому интерфейсу: низкое энергопотребление, различные варианты топологии и самовосстановление сети(mesh-сеть), частота, на которой ведется передача данных 2.4 ГГц.

Bluetooth не был выбран так как вместимость сети составляет всего 8 активных устройств и топологии сети не вариативны. NFC интерфейс не подошел по частотному параметру, центральная частота на которой ведется передача информации 13,56 МГц, а частоты на которых работает электроника модулей не превышает 20 МГц, этот факт дает возможность предположить что возможны проблемы с электромагнитной совместимостью. Также данный интерфейс не является подходящим из-за габаритных показателей антенны(катушки). WI-FI не был выбран высокого энергопотребления по сравнению с остальными интерфейсами, рассматриваемыми при анализе.