تصميم التطبيق للنظام اللاسلكي الفرعي جيجاهرتز على أساس الاستهلاك المنخفض للطاقة ومسافة الإرسال اللاسلكي

“مع النمو الهائل لشبكات الاستشعار اللاسلكية والعدادات الذكية ومرافق التشغيل الآلي للمنزل والمنتجات القابلة للارتداء ، أصبح مصطلح إنترنت الأشياء (IoT) اسمًا مألوفًا. يغطي إنترنت الأشياء الشبكات الخارجية بعيدة المدى (مثل الشبكات الذكية والإضاءة المحلية) والشبكات الداخلية قصيرة المدى (مثل Home Connect وأنظمة الأمن المنزلي). أطلقت العديد من الشركات العديد من الحلول المبتكرة لسوق إنترنت الأشياء ، ويمكنها تقديم خدمات مريحة مثل اكتشاف حالة الأمان.

“

مع النمو الهائل لشبكات الاستشعار اللاسلكية والعدادات الذكية ومرافق التشغيل الآلي للمنزل والمنتجات القابلة للارتداء ، أصبح مصطلح إنترنت الأشياء (IoT) اسمًا مألوفًا. يغطي إنترنت الأشياء الشبكات الخارجية بعيدة المدى (مثل الشبكات الذكية والإضاءة البلدية) والشبكات الداخلية قصيرة المدى (مثل Home Connect وأنظمة الأمن المنزلي). أطلقت العديد من الشركات العديد من الحلول المبتكرة لسوق إنترنت الأشياء ، ويمكنها تقديم خدمات مريحة مثل اكتشاف حالة الأمان. تتكون هياكل الأنظمة المترابطة لإنترنت الأشياء عادةً من عدد كبير من العقد اللاسلكية ، بدءًا من أجهزة التحكم عن بعد البسيطة إلى الشبكات اللاسلكية المعقدة ذات البوابات المتصلة بالإنترنت. هذه الشبكات قادرة أيضًا على توفير ذكاء النظام المحلي والخدمات السحابية ، كما هو موضح في الشكل 1. في هذه المقالة ، سيتم أخذ نظام المنزل الذكي كمثال للتركيز على التوصيل البيني اللاسلكي منخفض الطاقة والمسافات الطويلة في نطاق التردد الفرعي جيجاهرتز المستخدم على نطاق واسع.

الشكل 1: هندسة النظام المتصل بالمنزل الذكي

اختر الحل اللاسلكي المناسب

تعد MCUs و ICs اللاسلكية المكونات الرئيسية لأنظمة IoT ، وعادة ما توفر MCU لتطبيقات الأجهزة المتصلة مجموعة متنوعة من خيارات التخزين وخيارات الأجهزة الطرفية. يعد اختيار الدوائر المتكاملة اللاسلكية (أجهزة الإرسال والاستقبال وأجهزة الإرسال والاستقبال) بنفس أهمية وتعقيد وحدة MCU ، إذا لم يكن هناك المزيد من المكونات الأخرى. يعد الاختيار بين الأجهزة الفرعية التي تعمل غالبًا في نطاقات تردد عامة مجانية ، أو أجهزة 2.4 جيجا هرتز استنادًا إلى معايير مثل ZigBee أو Bluetooth Smart أو Wi-Fi ، أمرًا يستحق الدراسة الدقيقة. لا يوجد حل “مقاس واحد يناسب الجميع” عندما يتعلق الأمر باختيار البروتوكول اللاسلكي المناسب لتطبيق إنترنت الأشياء معين. كل خيار لاسلكي له مزايا وعيوب خاصة به ، وستحدد متطلبات التطبيق المحددة (مثل البوابات أو العقد الطرفية التي تعمل بالبطارية) اختيار تقنية التوصيل البيني.

الشكل 2: هندسة عقدة الاستشعار

تعد بروتوكولات الملكية الفرعية GHz ومعيار ZigBee المفتوح أكثر البروتوكولات اللاسلكية استخدامًا في التطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية في استخدام الطاقة وعمر بطارية طويل (على سبيل المثال ، من 5 إلى 15 عامًا من عمر البطارية) ومسافات نقل طويلة. بالنسبة للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية التي لا تتطلب بنية أساسية لاسلكية إضافية ، توفر تقنية Bluetooth اتصالاً قصير المدى من نقطة إلى نقطة. Wi-Fi هو البروتوكول اللاسلكي الأكثر استخدامًا للتطبيقات التي تراعي عرض النطاق الترددي مثل دفق الفيديو واتصالات نقطة الاتصال اللاسلكية. تعتبر نطاقات الجيجاهرتز الفرعية مثالية للتطبيقات بعيدة المدى ومنخفضة الطاقة ومنخفضة المعدلات (مثل كاشفات الدخان وأجهزة استشعار الأبواب والنوافذ) والأنظمة الخارجية (مثل محطات الطقس والعدادات الذكية وأجهزة تعقب الأصول).

تعد تقنية Sub-GHz مثالية للتطبيقات اللاسلكية التي تتطلب استهلاك طاقة طويل المدى ومنخفض. يمكن للإرسال الضيق أن ينقل البيانات إلى مكثف بعيد ، غالبًا على بعد عدة أميال ، دون الحاجة إلى إرسال مرحل بينهما. تقلل قدرة النقل لمسافات طويلة هذه من الحاجة إلى محطات قاعدية متعددة أو مكررات باهظة الثمن. يسمح بروتوكول Sub-GHz الحاصل على براءة اختراع للمطورين بتحسين الحلول اللاسلكية لتلبية احتياجات محددة دون اتباع المعايير التي قد تحد من تنفيذ الشبكة. في حين أن العديد من شبكات Sub-GHz الحالية تستخدم بروتوكولات احتكارية ، فإن الصناعة تنتقل تدريجياً إلى أنظمة قائمة على المعايير وقابلة للتشغيل البيني. على سبيل المثال ، ينتشر معيار IEEE802.15.4g عالميًا وقد تم اعتماده من قبل العديد من الجمعيات الصناعية مثل Wi-SUN و ZigBee. في أي معيار ، عادة ما تكون هناك مواصفات إلزامية واختيارية ، ويساعد تحديد المعلمات المناسبة مسبقًا في اختيار المعدات.

أداء منخفض الطاقة

يجب على المطورين الذين يصممون حلولًا لاسلكية للتطبيقات الحساسة للطاقة والتي تعمل بالبطارية الانتباه إلى وضع الاستعداد الحالي وأوضاع الطاقة المنخفضة ووقت إيقاظ IC اللاسلكي. على سبيل المثال ، تعتبر أجهزة الإرسال والاستقبال ذات النطاق الفرعي جيجاهرتز مثالية لهذه التطبيقات ، حيث تستهلك هذه الأجهزة اللاسلكية الموفرة للطاقة 40 أمبير فقط في وضع الاستعداد دون فقدان بيانات الذاكرة ، بينما يتطلب التبديل من وضع الاستعداد / السكون إلى وضع الاستلام 440 nA فقط؟ س. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل الميزات المستقلة مثل وضع دورة العمل على تقليل متوسط ​​الاستهلاك الحالي للاستقبال ، خاصة في الأنظمة التي تعمل بشكل متقطع. في هذه الحالة ، يستيقظ الراديو تلقائيًا من وضع السكون ويدخل في وضع الاستلام بناءً على ساعة السكون 32 كيلو هرتز القابلة للبرمجة على الرقاقة. يقوم الراديو بتقييم صلاحية بيانات القناة بناءً على اكتشاف التمهيد ومؤشر قوة الإشارة المستقبلة ، ولا يوقظ المضيف MCU إلا عند استلام حزمة بيانات صالحة. إذا لم تكن هناك حزم صالحة ، فسيعود الراديو تلقائيًا إلى وضع السكون دون مقاطعة وتفعيل MCU المضيف.

في وضع دورة العمل ، تحدد ثلاثة عوامل رئيسية الاستهلاك الحالي: الطاقة المستهلكة للانتقال من وضع السكون إلى وضع الاستلام ، والوقت المطلوب لتقييم صلاحية حزم القناة ، ووضع السكون الحالي. يعمل وضع استشعار التمهيد لجهاز الإرسال والاستقبال على النطاق الفرعي GHz على تقليل وقت الوصول إلى القناة بشكل كبير دون التضحية بالحساسية ، مع تقليل متوسط ​​تيار الاستقبال بشكل كبير. تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال الراديوية هذه 8 بتات فقط من التمهيد لتحديد صلاحية التمهيد ، بينما تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال التقليدية الأخرى ذات النطاق الفرعي GHz 32 بتة. يعد التحسن في متوسط ​​تيار الاستقبال أكثر فائدة للحالات ذات الأطوال الأطول للديباجة ومعدلات البيانات المنخفضة. من بين أجهزة الإرسال والاستقبال Sub-GHz هذه ، يستهلك مضخم الطاقة PA الأحدث ، لذا فإن تصميم PA الفعال هو أيضًا مفتاح لتحقيق عمر بطارية طويل. تدمج شريحة النطاق الفرعي GHz كفاءة عالية + 20dBm PA ، واستهلاك الطاقة 85mA فقط ، وهو أقل بـ 40mA من الحلول الأخرى ، وعندما تكون طاقة الإخراج + 10dBm ، يكون استهلاك PA هو 18mA فقط ، لذلك يمكن يتم تشغيله بواسطة بطارية زر.

مسافة الإرسال اللاسلكي

في أي تطبيق ، تتمثل الميزة الرئيسية لاستخدام تقنية Sub-GHz اللاسلكية في قدرة الإرسال لمسافات طويلة لهذا النطاق الترددي ، حتى في بيئة مزدحمة. تعمل أنظمة النقل لمسافات طويلة على تقليل تكاليف النشر وتتطلب عددًا أقل من المحطات الأساسية وأجهزة إعادة الإرسال لخدمة نفس العدد من الأجهزة. عند وجود طاقة خرج معينة ، فإن عمليات الإرسال ذات التردد المنخفض قادرة على نقل مسافات أطول. وفقًا لمبادئ الفيزياء ، يمكن تفسير هذه الظاهرة باستخدام صيغة فريس لتحليل فقدان الخط.

فورمولا 1،

حيث Pr هي القدرة المستقبلة ، Pt هي قدرة الإرسال ، Gt و Gr هي مكاسب هوائي المرسل والمستقبل ، R هي المسافة بين الهوائيين ، و هي الطول الموجي.

كقاعدة عامة ، ستؤدي زيادة ميزانية الارتباط بمقدار 6 ديسيبل في بيئة مفتوحة خارجية إلى مضاعفة مسافة الإرسال. عند تساوي جميع الأشياء الأخرى ، ستكون المسافة التي يمكن الوصول إليها لنطاق 169 ميجاهرتز أفضل من النطاق 868/915 ميجاهرتز. نظرًا لأن الاختبار عن بعد حساس للغاية لبيئة الاختبار ومعلمات الجهاز ، فمن الصعب إجراء مقارنة دقيقة بين حلول أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية من مختلف الشركات المصنعة. ينبغي مراعاة المعلمات الراديوية (مثل التردد ، وقدرة الخرج ، وعرض النطاق ، وهيكل الرزم ، والهوائي ، وطريقة حساب معدل الخطأ في البت / الحزمة ، وما إلى ذلك) بشكل كامل عند المقارنة. في اختبار البيئة المفتوحة في الهواء الطلق ، تتبنى معدات النطاق الفرعي GHz طريقة تعديل Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) ، ويمكن أن تصل مسافة الإرسال لكل من نطاقي التردد العالي والمنخفض إلى 8-10 أميال (13-16 كيلومترًا).

مسافة إرسال النظام هي دالة لحساسية المستقبِل وتردد الإرسال. تتناسب الحساسية عكسًا مع عرض النطاق الترددي للقناة ، مما يعني أن النطاقات الأضيق سيكون لها حساسية أعلى للمستقبل. يعتمد عرض النطاق الترددي للقناة على ثلاثة عوامل: معدل البيانات ، وإزاحة التردد ، ودقة المذبذب البلوري. من أجل إرسال واستقبال فعالين ، يجب أن يكون عرض نطاق القناة كافياً للوفاء بهذه العوامل الثلاثة. تتمتع الأجهزة ذات النطاق الفرعي جيجاهرتز بعرض نطاق استقبال قابل للبرمجة بالكامل من 200 هرتز إلى 850 كيلو هرتز ، وبالتالي الحفاظ على حساسية -133 ديسيبل ميلي واط بمعدل 100 بت في الثانية ، وهو مثالي لتطبيقات الاستشعار الخارجية لمسافات طويلة. في بعض الحالات ، يمكن أيضًا استخدام مخطط طيف ممتد بدلاً من تعديل GFSK القياسي ضيق النطاق. يتطلب معدل البيانات المنخفض نطاق تردد أوسع ، وبالتالي فإن كفاءة الإرسال منخفضة ، ولكن طاقة الإرسال منخفضة أيضًا. يمكن تعويض فقدان الحساسية بسبب زيادة عرض النطاق عن طريق التشفير ، حيث يمكن تشفير كل بتة بيانات إلى بتات متعددة للإرسال عبر نطاق تردد أوسع. وهذا يعني أنه ، بنفس معدل البيانات الصافي ، لا يوجد تحسن مباشر في الحساسية على تطبيقات GFSK التقليدية ضيقة النطاق.

يتطلب فك تشفير البيانات من إشارة طيف منتشرة عادةً تمهيديات أطول للمزامنة ، مما يزيد من وقت إرسال الحزمة ، مما يقلل بدوره من عمر البطارية. استنادًا إلى نطاقات التردد المختلفة بين 60-70 ديسيبل ، يوفر نظام النطاق الضيق نبضًا ممتازًا للقناة المجاورة ، ولا تتداخل إشارة انتشار الطيف بسهولة. ومع ذلك ، على مسافات قصيرة ، سوف تتداخل مع إشارات ضيقة النطاق أو معدات انتشار الطيف ، مما يقلل بشكل كبير من مسافة الإرسال لنظام التشفير. تتمثل إحدى مزايا نظام انتشار الطيف في أنه يمكن استخدام بلورة منخفضة التكلفة بدلاً من مذبذب بلوري عالي التكلفة معوض لدرجة الحرارة (TCXO). تتطلب أنظمة النطاق الضيق القائمة على GFSK عادةً استخدام TCXO لضمان دقة التردد وتوسيع مسافة الإرسال. في حين أن فرق التكلفة بين البلورات القياسية و TCXOs يتقلص ، فإن أجهزة الإرسال والاستقبال المتقدمة تقدم أيضًا آليات تعويض التردد التلقائي (AFC) التي تقلل بشكل أكبر من تأثيرات إزاحات التردد.

الشكل 3: القدرة المتولدة عن إشارات النطاق الضيق والطيف المنتشر

ختاماً

يعد انخفاض استهلاك الطاقة وطول المدى من العوامل المهمة في تحديد اتجاه تصميم الأنظمة اللاسلكية جيجاهرتز. يعد الاكتشاف السريع للإشارات ، والتيار الاحتياطي المنخفض الطاقة للغاية لعشرات من nanoamps ، وأوقات انتقال الحالة السريعة هي المفاتيح لبناء حلول برمجية قوية يمكنها تحسين كفاءة الطاقة على مستوى النظام بشكل فعال لتطبيقات الأجهزة المتصلة. يتطور سوق إنترنت الأشياء بسرعة. تظهر أنواع مختلفة من أجهزة أشباه الموصلات شديدة التكامل ومنخفضة الطاقة للغاية بأسعار منخفضة. تدعم وحدات MCU منخفضة الطاقة للغاية والدوائر المتكاملة اللاسلكية ذات البنى المرنة مجموعة متنوعة من البروتوكولات ، وستصبح ذكية ، مترابط ورائد في عالم إنترنت الأشياء المتعطش للسلطة.