Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8279| Назва: | Розробка магнітоіндуктивної системи передачі телеметричної інформації |
| Автори: | Гавриш, Олександр Степанович Швець, Олексій Анатолійович |
| Ключові слова: | технологія nfmi;феромагнітний канал;магнітоіндуктивна система передачі інформації;трансмітер;магнітний потік |
| Дата публікації: | 2021 |
| Короткий огляд (реферат): | В роботі розглядається можливість створення низькошвидкісних цифрових систем передачі інформації феромагнітним каналом, зокрема трубопроводами систем тепло- і водопостачання будівель. Феромагнітний канал має високу захищеність завдяки направленості магнітного потоку в середовищі поширення і слабку чутливість до зовнішніх електромагнітних завад. Феромагнітний канал має природну електромагнітну сумісність з іншими електронними пристроями завдяки його фізичним особливостям: просторовій локалізації магнітного потоку в ближній зоні та домінуванням магнітної компоненти в переданому сигналі. Наводяться результати теоретичних оцінок та обґрунтування вибору технічних характеристик магнітоіндуктивної системи передачі інформації. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8279 |
| Розташовується у зібраннях: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| М_172_ТК_Швець_Гавриш_2021.pdf Restricted Access | 1.11 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА
КІБЕРБЕЗПЕКИ
До захисту допущено
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор __________ В.В. Палагін
"_____" грудня 2021 року
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «магістр»
на тему: «Розробка магнітоіндуктивної системи передачі телеметричної
інформації»
Виконав студент 2 курсу, групи ТК-006
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та
радіотехніка»
Освітня програма – «Телекомунікації»
Швець Олексій Анатолійович
Керівник роботи Гавриш О.С.
Рецензент Протасов С.Ю.
Черкаси 2021
Форма № Н-9.01
Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітній ступінь магістр
Спеціальність 172 - Телекомунікації та радіотехніка
Освітня програма Телекомунікації
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри РТРС
д.т.н., професор Палагін В.В.
« 06 » вересня 2021 р.
ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) студенту
Швецю Олексію Анатолійовичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Розробка магнітоіндуктивної системи передачі телеметричної
інформації
керівник проекту (роботи) Гавриш Олександр Степанович, к.ф.-м.н., доцент
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджена наказом по університету від « » 2021 р. №
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 01 грудня 2021 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) канал зв’язку – стальний трубопровід; швидкість
передачі сигналу - 9600 біт/с; параметри імпульсу: тривалість - 300 мкс, частота
заповнення - 10 МГц; амплітуда 400 В
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______
Вступ. 1. Загальні відомості про телеметричні системи. 2. Традиційні технології передачі
телеметричної інформації. 3. Передача телеметричної інформації за допомогою
магнітоіндуктивної системи. Висновки. Список використаної літератури
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
12 слайдів в PowerPoint
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Прізвище, ініціали та посада завдання завдання
консультанта видав прийняв
7. Дата видачі завдання 06 вересня 2021 р.
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного С т р о к виконання етапів П р имітка
з/п проекту (роботи) проекту (роботи)
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 06.09.2021
2. Розробка плану проведення дослідження 22.09.2021
3. Підбір математичних моделей, шо описують
феромагнітний канал зв’язку 03.10.2021
4. Розробка структурної та функціональної схеми
магнітоіндуктивної системи передачі інформації 15.10.2021
5. Вибір апаратних засобів передавального та
приймального модулів розробленої системи зв’язку 28.10.2021
6. Оформлення пояснювальної записки 17.11.2021
7. Оформлення презентації в PowerPoint 12.12.2021
Студент Швець О.А.
(підпис) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) Гавриш О.С.
(підпис) (прізвище та ініціали)
ЗМІСТ
Стор.
Вступ 4
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕЛЕМЕТРИЧНІ СИСТЕМИ 6
1.1 Завдання, які вирішуються телеметричними системами 6
1.2 Принципи побудови телеметричних систем 8
1.3 Узагальнена структурно-функціональна схема телеметричної системи 11
1.4 Призначення каналів та мереж передачі даних 15
2. ТРАДИЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕДАЧІ ТЕЛЕМЕТРИЧНОЇ
ІНФОРМАЦІЇ 25
2.1 Сучасні технології бездротової передачі телеметричної інформації 25
2.2 Технологія PLC (Power Line Communication) для обміну телеметричною
інформацією 29
2.3 Гетерогенні PLC/RF модеми для систем збирання даних 38
3. ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕТРИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ
МАГНІТОІНДУКТИВНОЇ СИСТЕМИ 43
3.1 Постановка задачі 43
3.2 Принцип функціонування магнітоіндуктивної системи передачі
інформації та теоретичне обґрунтування 46
3.3 Вибір приймально-передавальних котушок для вводу/виводу сигналів у
феромагнітний канал 52
3.4 Розробка функціональної схеми магнітоіндуктивної системи передачі
інформації 55
3.5 Вибір трансмітерів для вводу/виводу сигналів у феромагнітний канал 59
Висновки 64
Список використаної літератури 66
ТК006.021143.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Швець О.А. Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Гавриш О.С. 3 66
Розробка магнітоіндуктивної
Реценз.
системи передачі телеметричної
Н. Контр. Гавриш О.С. ЧДТУ
інформації
Затверд. Палагін В.В.
ВСТУП
В даний час все більшого поширення набувають автоматизовані системи
збору та передачі даних з лічильників ресурсів (електро-і газолічильники, прилади
обліку води) у житлових та виробничих будинках.
Це зумовлено переважно двома причинами: по-перше, усі прилади
загальнобудинкового обліку повинні бути диспетчеризовані та показання повинні
передаватися до інформаційної системи житлово-комунального господарства, і, по-
друге, це достовірність показників. Для контролю необхідно періодично проводити
контрольне зняття показників лічильників ресурсів.
На даний момент поширені два типи автоматизованих систем збору даних:
дротові та бездротові.
У провідних системах шлейф від квартирних датчиків йде до поверхового
концентратора і далі на загальнобудинковий концентратор. Подібні слаботочні
системи просто монтуються в новому будівництві, але важко застосовуються до
вже існуючого – існує проблема прокладання проводки. Крім того, внаслідок
неправильного монтажу можуть бути переплутані дроти від різних абонентів.
Інший клас систем - радіосистеми. Найбільш поширені телеметричні системи
на основі протоколів ZigBee, Z-Wave та GSM-системи. Системи на основі ZigBee,
Z-Wave відрізняються низьким споживанням, високою надійністю та
функціональністю — погодинне накопичення та архівування показань, передача
даних на запит із загальнобудинкового концентратора, але вимагають значної
кількості ретрансляторів і внаслідок цього мають високу вартість первісної
установк. GSM-системи вимагають абонентської оплати оператора мережі.
Альтернативним рішенням може стати МСПІ з використанням каналу
передачі сигналів елементів структури водокомунікацій будівлі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.
Тематика магістерської роботи зв’язана з напрямком науково-практичних
досліджень по розробці автоматизованих систем передачі інформації, що
проводяться викладачами кафедри робототехнічних і телекомунікаційних систем
та кібербезпеки Черкаського державного технологічного університету.
Метою роботи є розробка магнітоіндуктивної системи передачі
телеметричної інформації, що базується на сучасній технології NFMI.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
• провести аналіз методів і засобів передачі телеметричної інформації;
• розглянути принцип технології NFMI і можливість її застосування для
передачі даних по феромагнітному каналу;
• вибрати математичні моделі, що описують взаємозв’язок сіж
передавальними і приймальними параметрами у феромагнітному каналі
зв’язку;
• розробити структурну і функціональну схему магнітоіндуктивної системи
передачі телеметричної інформації;
• здійснити вибір апаратних засобів передавального та приймального модулів
розробленої системи зв’язку;
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, отримала
подальший розвиток ідея передачі телеметричної інформації по феромагнітних
каналах, на основі водопровідних труб.
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕЛЕМЕТРИЧНІ СИСТЕМИ
1.1 Завдання, які вирішуються телеметричними системами
Телеметрія (від грецьк. tele – далеко, metroo – вимірюю) – вимір на відстані
показників, що характеризують стан будь-яких об'єктів. Наприклад, зняття
показників технічних об'єктів при випробуванні.
Телекомунікації (дальній зв'язок) – передача інформації на великі відстані за
допомогою електричних, оптичних та радіосигналів.
Телеметрична система - це спеціалізована система зв'язку, в якій вимірювана
величина перетворюється на електричний сигнал, передається на приймальну
станцію і там реєструється.
У технічній телеметрії розрізняють системи:
1.телеметричні;
2.радіотелеметричні;
3. комбіновані.
У першій передача інформації здійснюється за допомогою дротів, а у другій
– по радіоканалу. У комбінованих системах поєднані й ті, та інші варіанти передачі.
Прикладом технічної телеметричної системи може бути система
дистанційного відключення ламп вуличного освітлення. Сигнал на відключення
подається по мережних проводах з напругою 220 В (подача сигналу здійснюється
на основі частотного поділу). Прикладами радіотелеметричної системи є
дистанційний контроль роботи нафтових вишок, контроль перевищення швидкості
автомобілями (Німеччина), використання безпілотних літаків. Зокрема,
радіотелеметрична система застосовується для екологічного моніторингу території
великих міст і навіть окремих підприємств. Прикладом використання комбінованої
системи є передача інформації в космічних пілотованих апаратах. Джерелами
сигналів може бути, наприклад, тиск у кабіні льотчика, мова космонавтів чи інші
сигнали. Від датчиків йдуть дроти до реєструючої апаратури (як телеметрична
система), а далі інформація передається радіоканалом на Землю при проходженні
космічного апарату в зоні знаходження приймальних пристроїв (як
радіотелеметрична система).
Залежно від цілей та завдань випробувань проводяться такі виміри:
1. Вимірювання для управління та для доказу того, що характеристики
керованого пристрою або обладнання задовольняють відповідним технічним
вимогам щодо нього.
2. Вимірювання для оцінки та перевірки роботи окремих агрегатів пристроїв
та їх взаємодії.
3. Вимірювання визначення окремих агрегатів з метою переконструювання
їх чи поліпшення їх характеристик.
1.2 Принципи побудови телеметричних систем
Телеметрія здійснюється засобами телемеханіки. Телеметрична система
складається з передавальної частини, каналу зв'язку та приймальної частини. На
рис.1.1 представлено загальну блок-схему передавальної частини, а на рис.1.2 –
загальну блок-схему приймальної частини телеметричної системи.
Датчик 1
Датчик 2 Суматор і
кодуючий Передавач
… пристрій
Датчик n
Рисунок 1.1 – Загальна блок-схема передавальної
частини телеметричної системи
Розділювач Регіструючий
Приймач …
каналів пристрій
Рисунок 1.2 – Загальна блок-схема приймальної
частини телеметричної системи
У більш докладному виконанні телеметричні установки включають різні
технічні вузли:
• підсилювачі,
• модулятори,
• калібратори,
• генератори піднесучої та несучої частот,
• антенні пристрої різної конструкції,
• приймальні пристрої,
• різні типи реєстраторів та засобів обробки інформації і т.д.
Класифікація телеметричних систем необхідна для отримання уявлення про
ту чи іншу телеметричну систему та для того, щоб охарактеризувати відповідну
телеметричну систему.
Класифікація телеметричних систем здійснюється за різними ознаками: за
призначенням, габаритами, надійністю, дальністю дії, числом каналів, частотою
випромінювання передавача, методом модуляції, вартістю та ін.
Багато класифікацій за цими показниками є якісними, інколи ж і приватними.
Порівняно розробленою класифікацією телеметричних систем є класифікація
за взаємним розташуванням передавача та приймача. За цією ознакою
телеметричні системи поділяється на 5 класів.
І клас.
Об'єкт вивчення знаходиться на достатній відстані від стаціонарного
передавача і пов'язаний з ним проводами. Це системи, в яких об'єкт дослідження,
передавач та приймач нерухомі. Такі системи називають стаціонарними.
Прикладом є телеметрична система обміну інформацією між материками,
окремими містами тощо.
ІІ клас.
Об'єкт дослідження з'єднаний дротом з передавачем, які знаходяться на
якомусь носії та взаємно нерухомі. Носій переміщуються щодо приймача. Такі
системи називають транспортованими.
Прикладом є передача сигналу з кораблів на материк, з космічного апарату
на Землю тощо.
ІІІ клас.
Передавач укріплений безпосередньо на об'єкті та переміщається разом із
ним щодо приймача. Системи називають динамічними.
Вони успішно застосовуються при фізіологічних дослідженнях спортсменів.
ІV клас.
Передавальна частина знаходиться всередині об'єкта та нерухома щодо його
станини. Такі системи отримали назву вбудованих.
Такий принцип використовується для вивчення рухомих пристроїв.
V клас.
Передавальна частина знаходиться всередині деталей об'єкта та
переміщається щодо його вузлів та приймача. Об'єкт зазвичай нерухомий. Такі
системи найкраще назвати введеними.
На додаток до викладеної класифікації біотелеметричні системи поділяються
і на види телеметрії, у яких використовуються. Розрізняють два види телеметрії:
• динамічна телеметрія;
• телеметрія спокою.
Телеметрична система (з погляду специфіки її використання) значною мірою
визначається видом досліджуваного об'єкта. Оскільки з урахуванням специфіки
розрізняють світлотехнічну, спортивну, біологічну та сільськогосподарську
телеметрію, то телеметричні системи можуть класифікуватися за ознаками
специфіки.
Крім того, слід розрізняти велику та малу телеметрію. Перша вирішує
завдання на державному рівні, а друга – приватні завдання лише на рівні окремих
досліджень за допомогою порівняно простої апаратури.
1.3 Узагальнена структурно-функціональна схема телеметричної
системи
На рис.1.3 представлена типова блок-схема одноканальної передавальної
частини телеметричної системи. Однак для визначення функціонального стану
багатьох пристроїв одноканальний запис недостатній. Щоб мати уявлення про
температуру, яскравість та інші параметри, треба записати дані кількома
датчиками.
Таким чином, для отримання ґрунтовної інформації про функцію пристрою
необхідні багатоканальні телеметричні системи, і тому переважна більшість систем
є багатоканальними.
Д А
П М ГВЧ
К ГПЧ
Рисунок 1.3 – Типова блок-схема одноканальної
передавальної частини телеметричної системи:
На рис.1.3 використовуються позначення: Д – датчик, П – підсилювач, К –
калібратор, М – модулятор, ГПЧ - генератор піднесучої частоти, А – антена, ГВЧ -
генератор високочастотний.
На рис.1.4 представлено типову блок-схему одноканальної приймальної
частини телеметричної системи, де: А – антена, ВЛ – вхідний ланцюг, ПВЧ –
підсилювач високої частоти, ППЧ – підсилювач проміжної частоти, Г – гетеродин,
ПНЧ – підсилювач низької частоти, Р – реєстратор, Мон – монітор, КОІ –
комп'ютерна обробка інформації.
А
ВЛ ПВЧ ППЧ ПНЧ Р
Г Мон КОІ
Рисунок 1.4 – Типова блок-схема приймальної
частини телеметричної системи:
Переваги телеметричних систем:
1. Автономність об'єкта (об'єкт не прив'язаний до стаціонарних стендів).
2.Можливість отримання унікальної та специфічної інформації.
3.Отримання більш достовірної інформації.
4.Можливість передачі інформації з важкодоступних зон (з космосу, з
робочих місць, наприклад, від неостиглих домнів мартенівської печі або вогнища
пожежі, з нір від диких тварин і т.д.).
5. Можливість передачі при фізичних навантаженнях в динаміці.
Недоліки телеметричних систем:
1.Дороговина.
2.Не завжди наявні промислові серійні розробки.
3.Підвищені габарити (не завжди можна реалізувати бажане).
4. Необхідність підготовлених спеціалістів (персоналу) для розробки та
обслуговування установки.
5. Обмежена тривалість безперервної роботи.
Вибір використовуваної телеметричної системи визначається числом
показників, що реєструються, і характеристиками цих показників.
Число реєстрованих показників та їх характеристика залежить від видів
телеметрії (динамічної телеметрії або телеметрії спокою), виду досліджуваного
об'єкта і т.д.
Наприклад, завдання передачі сигналу динамічної телеметрії істотно
складніше, ніж у телеметрії спокою. У малій (динамічній) телеметрії, яка вирішує
лише приватні завдання окремих досліджень за допомогою порівняно простої
апаратури, зазвичай здійснюється реєстрація 1-2 або кількох сигналів.
Основні параметри телеметричних систем такі:
1. Число реєстрованих показників.
2. Характеристики показників, що реєструються.
3. Дальність передачі.
4. Необхідна точність вимірів. За необхідною точністю вимірювання
телеметричні системи можна поділити на три класи:
а) телеметричні системи середньої точності – точність 3-5%;
б) телеметричні системи високої точності – точність 1-2%;
в) телеметричні системи дуже високої точності – точність 01-05%.
Надіслані повідомлення умовно поділяються на дві групи. У першу групу
входять повідомлення, що повільно змінюються, з шириною спектра від 0 до 5 Гц.
Під час передачі цих повідомлень можливе застосування механічного комутатора.
До другої групи входять повідомлення із шириною спектра від 0 до 2000-3000 Гц.
Перша група повідомлень зазвичай численна, сюди входять температура, тиск та
інші показники, що повільно змінюються. До другої входять вібрація та акустичний
шум, швидкі коливання в елементах управління установками, коливання
напруженості електромагнітного поля тощо.
Передача сигналу в телеметричних системах здійснюється на відстань від
кількох метрів до кількох кілометрів. Дальність обмежується видом каналу зв'язку
та можливостями ліній зв'язку.
Наприклад, радіоканали з метою передачі використовують частотні
діапазони 902-928 МГц (відстань до 10 км, пропускну здатність до 64кбит/с), 2,4
ГГц і 12 ГГц (до 50 км, до 8 Мбіт/с). Вони використовуються там, де не існує
кабельних або оптоволоконних каналів або їх створення з якихось причин
неможливе або надто дороге. Більш низькі частоти (наприклад, 300 МГц) мало
привабливі через обмеження пропускної спроможності, а великі частоти (>30 ГГц)
працездатні для відстаней не більше або близько 5 км через поглинання радіохвиль
в атмосфері.
В даний час накопичено певний досвід роботи з відкритими лініями
оптичного зв'язку в приземних шарах атмосфери з використанням лазерів. Однак
земна атмосфера є поганим середовищем для поширення світла, і сильна
залежність надійності зв'язку від атмосферних умов (визначають оптичну
видимість) на трасі поширення обмежує застосування відкритих ліній оптичного
зв'язку малими відстанями (кілька кілометрів) і лише для дублювання існуючих
кабельних малоінформативних пересувних систем, систем сигналізації тощо.
З цієї причини тільки розробка кремнієвих волокон з низьким коефіцієнтом
поглинання в інфрачервоному діапазоні (< 0,2 дБ/км) уможливило широке
поширення оптичних каналів зв'язку. У 1990 року у США сумарна довжина
оптичних волокон становила близько 9000000 км, до 2000 року зафіксовано
потроєння цієї довжини. Укладається ~1000км оптоволоконного кабелю на день.
Виходячи із завдань телеметричних систем, можна сформулювати такі
основні вимоги до них:
1. Одночасне вимірювання та передача багатьох параметрів (до кількох
десятків і більше).
2. Забезпечення необхідної точності вимірів.
3. Забезпечення передачі повідомлень із різноманітними спектрами.
4. Телеметрична система має бути максимально проста та надійна.
5. Телеметрична система має бути гнучкою та передбачати можливість
швидкої заміни одних датчиків іншими.
1.4 Призначення каналів та мереж передачі даних
Канал зв'язку - канал передачі, технічні пристрої та тракт зв'язку, в якому
сигнали, що містять інформацію, поширюються від передавача до приймача.
Таким чином, канали зв'язку та мережі передачі даних призначені для
передачі інформації від передаючої частини до приймальної частини
телеметричних систем та транспортування повідомлень.
Технічні пристрої (підсилювачі електричних сигналів, пристрої кодування та
декодування сигналів та ін) розміщують у проміжних (підсилювальних або
переприймальних) та кінцевих пунктах зв'язку.
Як тракт передачі користуються різноманітними лініями – провідними, радіо
і радіорелейними, радіохвильовими і т.д., і у зв'язку з цим як канали зв'язку в
телеметрії використовуються:
• провідний та телефонний зв'язок (повітряний та кабельний);
• оптичні канали зв'язку;
• радіозв'язок у широкому діапазоні довжин хвиль, у тому числі супутниковий
(стільниковий) зв'язок;
• в окремих випадках гідроакустичний зв'язок.
Вибір каналу та діапазону частот залежить від розв'язуваного завдання, виду
об'єкта та середовища його експлуатації (вологе або агресивне середовище),
технічних вимог до апаратури, виду інформації, що передається, та інших факторів.
Найбільше застосування в телеметрії знаходить радіоканал, оптичний та
провідний зв'язок, і меншою мірою гідроакустичний зв'язок.
Застосування оптичної та акустичної ліній зв'язку обмежено головним чином
сильним поглинанням оптичних та акустичних хвиль середовищем, в якому вони
поширюються. В даний час певне місце в телеметрії займає стільниковий зв'язок,
як складова радіоканалу.
Узагальнена схема каналів передачі виглядає так. Передавач перетворює
повідомлення на сигнали, що подаються потім на вхід каналу зв'язку. За прийнятим
сигналом на виході каналу зв'язку приймач відтворює передане повідомлення.
Передавач, канал зв'язку та приймач утворюють систему зв'язку або систему
передачі інформації (рис.1.5).
Канал
Передавач Приймач
зв’язку
Рисунок 1.5 – Система передачі
За останні двадцять років пропускна спроможність каналів зросла з 56 кбіт/c
до 1 Гбіт/с. Розроблено технології, здатні працювати у випадку оптичних кабелів зі
швидкістю 50 Тбіт/с. Імовірність помилки при цьому скоротилася з 10-5 на біт до
низького рівня. Сучасний же ліміт у кілька Гбіт/с пов'язаний головним чином з тим,
що люди не навчилися робити швидкодіючі перетворювачі електричних сигналів в
оптичні.
За призначенням системи, до складу якої входять канали зв'язку, розрізняють
канали:
• телефонні,
• звукового мовлення,
• телевізійні,
• фототелеграфні (факсимільні),
• телеграфні, телеметричні,
• телекомандні,
• передачі цифрової інформації.
За характером сигналів, передачу яких канали зв'язку забезпечують,
розрізняють канали:
• безперервні,
• лискретні як за значеннями, так і за часом.
У загальному випадку канал зв'язку має велику кількість входів та виходів,
т.зв. ущільнений канал зв'язку (багатоканальний зв'язок) і може забезпечувати
двосторонню передачу сигналів.
Лінія зв'язку - сукупність технічних пристроїв та фізичного середовища, що
забезпечує поширення сигналів від передавача до приймача.
Лінія зв'язку є складовою каналу зв'язку (каналу передачі). Іноді до складу
каналу зв'язку включається кілька ліній зв'язку (на різних ділянках каналу зв'язку
використовуються кабельні, радіорелейні та інші лінії зв'язку). Найчастіше та сама
лінія зв'язку застосовується для передачі сигналів, що належать кільком каналам
зв'язку (ущільнення лінії зв'язку).
Залежно від характеру сигналів, які використовуються для передачі
повідомлень, розрізняють лінії зв'язку:
• електричні,
• звукові (акустичні),
• оптичні.
На ранніх етапах розвитку електричного зв'язку фізичним середовищем
служила пара проводів, що з'єднувала передавач та приймач (провідниковий
зв'язок). Пізніше, з появою систем бездротового зв'язку (радіозв'язку), лінії зв'язку
стали визначати як сукупність передавальної, приймальної антен і середовища, в
якому відбувається поширення радіохвиль. Основна характеристика таких ліній
зв'язку – діапазон робочих частот, що забезпечують передачу сигналів із
допустимим ослабленням.
По лініях зв'язку із застосуванням сталевих проводів можна передавати
сигнали з частотами до 25-30 кГц. Лінії зв'язку із застосуванням проводів із
кольорових металів – до 140 150 кГц, по симетричному кабелю – до 500-550 кГц,
по коаксіальному кабелю – до 12-15 МГц. Магістральні короткохвильові лінії
зв'язку працюють у діапазоні частот 3-30 МГц, хвилеводні – на частотах кількох
сотень МГц та десятків ГГц тощо.
Кабельні канали для телекомунікації історично використовувалися першими.
Та й сьогодні за сумарною довжиною вони перевершують навіть супутникові
канали. Основну частку цих каналів, які налічують багато сотень тисяч кілометрів,
становлять телефонні мідні кабелі. Ці кабелі містять десятки або навіть сотні
скручених пар дротів. Смуга пропускання таких кабелів зазвичай становить 3-3,5
кГц при довжині 2-10 км. Ця смуга диктувалася раніше потребами аналогового
голосового обміну в рамках телефонної мережі, що комутується.
З урахуванням зростаючих вимог до широкосмугових каналів скручені пари
проводів намагалися замінити коаксіальними кабелями, які мають смугу від 100 до
500 МГц (до 1 Гбіт/с), і навіть порожнистими хвилеводами. Саме коаксіальні кабелі
спочатку стали транспортним середовищем локальних мереж ЕОМ (10base-5 та
10base-2; рис.1.6).
Рисунок 1.6 – Пристрій коаксіального кабелю:
1 – центральний провідник; 2 – ізолятор;
3 – провідник-екран; 4 – зовнішній ізолятор
Коаксіальна система провідників через свою симетричність викликає
мінімальне зовнішнє електромагнітне випромінювання. Сигнал поширюється
центральною мідною жилою, контур струму замикається через зовнішній екранний
провід.
При заземленні екрану в декількох точках по ньому починають протікати
струми, що вирівнюють (адже різні землі зазвичай мають нерівні потенціали). Такі
струми можуть стати причиною зовнішніх наведень (інколи достатніх для виходу
з ладу інтерфейсного обладнання), саме ця обставина є причиною вимоги
заземлення кабелю локальної мережі тільки в одній точці.
Найбільшого поширення набули кабелі з хвильовим опором 50 Ом. Це з тим,
що ці кабелі через відносно товсту центральну жилу характеризуються
мінімальним послабленням сигналу (хвильовий опір пропорційний логарифму
відношення діаметрів зовнішнього і внутрішнього провідників). Але з розвитком
технології скручені пари змогли витіснити з цієї області коаксіальні кабелі. Це
сталося, коли смуга пропускання скручених пар досягла 200-350 МГц при довжині
100 м (неекрановані та екрановані скручені пари), а ціни на одиницю довжини
зрівнялися.
Скручені пари провідників дозволяють використовувати біполярні приймачі,
що робить систему менш уразливою (порівняно з коаксіальними кабелями) до
зовнішніх наведень. Але основною причиною витіснення коаксіальних кабелів
стала відносна дешевизна скручених пар. Скручені пари бувають одинарними,
об'єднаними в багатопарний кабель або оформленими у вигляді плоского
стрічкового кабелю.
Застосування проводів мережі змінного струму для локальних мереж та
передачі даних допустимо для обмежених відстаней. У таблиці 1.1 наведено
характеристики каналів, що базуються на звичайному та широкосмуговому
коаксіальному кабелях.
Таблиця 1.1
Характеристики каналів, що базуються на звичайному та широкосмуговому
коаксіальному кабелях
Показники Стандартний Широкосмуговий
кабель
Максимальна довжина каналу 2 км 10 км
Швидкість передачі даних 1 Мбит/с 1000 Мбит/с
Режим передачі напівдуплекс дуплекс
Ослаблення впливу електромагніт- 50 дБ 85 дБ
них і радіочастотних наводок
Число підключень < 50 пристроїв 1500 каналів з
одним або більше
пристроїв на
канал
Доступ до каналу CSMA/CD FDM/FSK
При відстанях до 100 метрів з успіхом можуть використовуватися скручені
пари та коаксіальні кабелі, забезпечуючи смугу пропускання до 150 Мбіт/с, при
більших відстанях або вищих частотах передачі оптоволоконний кабель краще.
Слід зазначити, що робота з кабелями передбачає необхідність доступу до системи
каналізації (іноді це вимагає спеціальних ліцензій; там часто розміщуються
підсилювачі-повторювачі). Кабельне господарство потребує обслуговування.
Щодо цього радіоканали кращі, адже випадків корозії електромагнітних хвиль не
зареєстровано, та й щури їх не гризуть.
Для передачі на великі відстані в даний час використовуються виключно
електромагнітні хвилі (акустичні хвилі придатні лише для обмежених відстаней), і
у зв'язку з цим до передачі телеметричної інформації по радіоканалу потрібні такі
умови:
1. Частотний діапазон.
2. Потужність передавача, яка зазвичай лежить у діапазоні 50 мВт – 2 Вт.
Модеми зазвичай використовують шумоподібний метод передачі SST (spread
spectrum transmission).
3. Пряма видимість між приймачем та передавачем для пристроїв, що
працюють на частотах 2,4 ГГц та вище і зазвичай використовуються спрямовані
антени. Такі канали частіше працюють за схемою «точка-точка», але можлива
реалізація і багатоточкового з'єднання.
На апаратному рівні для забезпечення роботи мереж (типу Інтернет) тут
можуть використовуватися радіорелейне обладнання, радіомодем або радіо-
бриджі. Схема цих пристроїв має багато спільного. Відрізняються вони лише
мережевим інтерфейсом (рис.1.7).
Антена
Трансивер Модем Адаптер
Мережевий
інтерфейс
Локальна мережа
Рисунок 1.7 – Схема обладнання радіоканалу передачі даних
Антена служить як для прийому, так передачі. Трансивер (приймач) може
з'єднуватися з антеною через спеціальні підсилювачі. Між трансивером та модемом
може включатися перетворювач частот. Модеми підключаються до локальної
мережі через послідовні інтерфейси типу RS-232 або v.35 (RS-249). Для багатьох із
них такі інтерфейси є вбудованими.
Вітчизняне радіорелейне обладнання має як вихідний інтерфейс типу G.703 і
тому потребує адаптера. Радіо-бриджі мають інтегрований Ethernet-інтерфейс.
Довжина кабелю від модему до трансивера лежить у межах 30-70 м, а
з'єднувальний кабель між модемом і комп’ютером може мати довжину 100-150 м.
Трансивер розташовується зазвичай поряд з антеною.
Схеми з'єднання радіомодемів та традиційних модемів абсолютно ідентичні
(рис.1.8).
Антена Антена
R8-232 R8-232
Модем Модем
Рисунок 1.8 – Схема підключення радіо-модемів
Крім уже зазначених прикладів перспективним полем застосування
радіомодемів можуть стати рухомі ЕОМ. Сюди слід віднести і всі випадки, коли
ЕОМ за характером свого застосування рухома, наприклад, управління
світлотехнічним обладнанням, медична діагностика на виїзді, оперативна
діагностика складного електронного обладнання, коли необхідний зв'язок із
базовим відділенням фірми, геологічні чи геофізичні дослідження тощо.
Радіомодеми дозволяють сформувати мережу швидше (якщо не брати до
уваги часу на атестацію обладнання, отримання дозволу на обрану частоту та
ліцензії на використання даного напрямку каналу). І тут можуть стати доступними
точки, позбавлені телефонного зв'язку. Підключення об'єктів до центрального
вузла здійснюється за зіркоподібною схемою. Помітний вплив на конфігурацію
мережі має очікуваний розподіл потоків інформації. Якщо всі об'єкти, підключені
до вузла, приблизно еквівалентні, а очікувані інформаційні потоки не великі,
можна в центральному вузлі обійтися простим маршрутизатором, що має достатню
кількість послідовних інтерфейсів.
Застосування радіо-бриджів особливо виграшне для організацій, які мають
будівлі, що віддаляються одна від одної на кілька кілометрів. Можливе
використання цих засобів зв'язку та для підключення до сервіс-провайдера, коли
потрібні інформаційні потоки до 2 Мбіт/с (наприклад, для проведення
відеоконференцій). Якщо відстані не великі (<5 км), можна скористатися
всенаправленою антеною (рис.1.9).
Рисунок 1.9 – Схема підключення об'єктів через радіо-бриджі
за допомогою всенаправленої антени
Всі об'єкти, що з'єднуються (А, Б, В, і Г) повинні бути оснащені радіо-
бриджами. Така схема підключення еквівалентна з одного боку кабельному
сегменту ethernet, оскільки будь-якої миті можливий обмін лише між двома
об'єктами; з іншого боку радіо-бриджі А, Б, В і Г логічно утворюють багато
портовий бридж (або перемикач), що виключає завантаження локальних мереж
об'єктів. Модифікації таких схем зв'язку дозволяють будувати телекомунікаційні
системи за схемою мобільних телефонних мереж.
При побудові каналів на основі радіорелейних систем (або радіобриджів) слід
враховувати можливість їхнього взаємного впливу (рис.1.10). Проектуючи такі
канали у місті та використовуючи направлені параболічні антени, потрібно
враховувати можливі перешкоди від будівель та профілю місцевості. Спрямована
антена з площею S забезпечує підсилення сигналу:
4S
G = ,
2
де S – площа спрямованої антени; – довжина хвилі несучої.
Кут випромінювання такої антени з радіусом R дорівнює 0,61/R. Звідси
видно, що чим більше радіус, тим більше підсилення і вужчий кут випромінювання
та чутливості.
Граничні відстані радіо каналів наводяться постачальниками у припущенні,
що у межах першої зони Френеля якихось фізичних перешкод немає. При
зіркоподібній схемі каналів (як на рис.1.10) потрібно по можливості виконати
вимоги до мінімальної відстані між приймаючими антенами D (воно має бути
більше певного значення, що залежить від апертури антени і відстані між
передавачем і приймачем).
Рисунок 1.10 – Взаємний вплив каналів
Ця відстань визначається розбіжністю радіопроменя і довжиною хвилі, що
використовується. Якщо ця вимога неможлива, слід у суміжних каналах
використовувати різні довжини хвиль. Діаграма випромінювання направленої
антени показана на рис.1.11 (стрілкою відзначено основний напрямок
випромінювання). Цю діаграму слід враховувати при виборі місця встановлення
антени, особливо під час використання великої потужності випромінювання.
Інакше одна з пелюсток випромінювання може припасти на місця постійного
перебування людей (наприклад, житло). Враховуючи ці обставини, проектування
таких каналів доцільно доручити професіоналам.
Рисунок 1.11 – Діаграма випромінювання параболічної антени
2. ТРАДИЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПЕРЕДАЧІ ТЕЛЕМЕТРИЧНОЇ
ІНФОРМАЦІЇ
2.1 Сучасні технології бездротової передачі телеметричної інформації
Виробники теплової енергії хочуть знати скільки вони продають, а споживачі
хочуть знати, за що платять. Керівники багатьох великих міст приділяють увагу
проблемам контролю та обліку води та тепла, тому впроваджують енергозберігаючі
програми віддаленого збору інформації з датчиків обліку тепла, гарячої та холодної
води, які можуть бути встановлені як у житловому фонді, так і на виробництві [2].
Ці питання стають все більш актуальними: постійно зростають тарифи на
тепло- та водоспоживання, а організації-замовники повинні знати дійсний стан
справ щодо споживання води та тепла. Досі ситуація з урахуванням носіїв енергії
залишалася досить складною. Не було ні системи, що забезпечує збирання даних
та їх відображення в єдиному форматі, ні навіть розуміння, якими мають бути
формати представлення даних. Виробники пристроїв обліку намагаються по
можливості впливати на ситуацію, але в цілому стан справ залишається незмінним.
Кожен інтелектуальний теплолічильник має свій закритий протокол передачі даних
і досить складно зв'язати енергозчитувальні пристрої в єдину інформаційну
мережу. Більше того, у різних розробників свої різні підходи до питання, як
передавати дані, скільки часу їх зберігати тощо. Усі ці фактори негативно
впливають на стан диспетчеризації в Україні в цілому.
Сучасні технології бездротової передачі дозволяють обмінюватися
інформацією з різних протоколів передачі між споживачами, які є абонентами
різних мереж (GSM, CDMA, Bluetooth, WLAN та інших.). Це можливо завдяки
використанню апаратури сполучення, побудованої на базі функціональних модулів
та модемів. Використання передових технологій бездротової передачі даних у ЖКГ
сприяє створенню сучасних високоінтелектуальних мереж передачі телеметричних
даних як для споживачів, так і для виробників послуг. Задля більшої
міжплатформної взаємодії використовуються відкриті галузеві стандарти, на
основі яких будується апаратура сполучення. Бездротові радіомодулі та
GSM/GPRS термінали останнім часом знаходять застосування при вирішенні
широкого кола завдань у різних галузях: у системах безпеки та управління,
телематиці та телеметрії, а також телекомунікаційному обладнанні. При виборі
способу передачі часто встає питання надійності ліній зв'язку. Але 100%-вою
надійності не має жоден пристрій засобів зв'язку з нині існуючих. Телефонна лінія
може бути порушена, радіопередавач та GSM-передавач можна заглушити. Для
вирішення цієї проблеми існують тестові посилки, які здійснюються об'єктовими
приладами. Припустимо, об'єктовий пристрій запрограмований на передачу
тестового сигналу кожні 4 хвилини. ПЦС (пульт централізованого спостереження)
отримує та обробляє цей сигнал у фоновому режимі, не показуючи його на екрані
оператору, але у разі неотримання даного сигналу ПЦС видає повідомлення про
тривогу.
Принципово всю систему можна поділити на дві частини. Перша відповідає
за збір даних із приладів обліку та за допомогою Bluetooth ver.2.0 радіомодуля
зв'язку WML-C40 (Mitsumi) (рис.2.1) передає їх на центральний сервер баз даних.
Кількість Bluetooth радіомодулів прямо пропорційно кількості лічильників на
об'єкті, і вся інформація з усіх об'єктів передається на центральний сервер, де всі
прийняті дані обробляються та за допомогою GSM каналів передаються на
центральний сервер тарифікації та платежів.
Вся система може функціонувати в автономному режимі, і при відключенні
сервера інформація з приладів обліку може накопичуватися в незалежній пам'яті
лічильників обліку, а передається та обробляється після включення центрального
сервера. Стільниковий зв'язок дозволяє гнучко інтегруватися з будь-якою
організаційною структурою. За її допомогою може бути створена як централізована
структура, де дані збираються на єдиному сервері, так і розосереджена структура,
в якій дані поставляються відразу на кілька паралельно працюючих серверів.
Можливе застосування GSM-каналу передачі на обладнанні EDG1228
(рис.2.2) від відомого виробника — компанії Enfora.
Рисунок 2.1 – Радіомодуль WML-C40 [2]
Рисунок 2.2 – Устаткування EDG1228 компанії Enfora
з використанням GSM-каналу [2]
Цей підхід (передача даних GSM) хороший тим, що повністю знімає питання
з прокладанням провідних ліній зв'язку. Однак зазвичай замовника, якому
пропонується використовувати середовище стільникового зв'язку для збору даних,
хвилює вартість трафіку, оскільки всім відомо на власному досвіді, скільки коштує
хвилина розмови по мобільному телефону. Але неправильно говорити, що
використовувати GSM для проектів телеметрії дорого. Термінал EDGE/GPRS
EDG1228 має вбудований TCP/IP стек та можливість керування терміналом за
допомогою вбудованого інтерпретатора мови високого рівня. Достатньо мати
фіксовану IP-адресу у ПК користувача. На цій адресі має бути відкритий порт.
Модулі із певною періодичністю викликають центральний пульт. Якщо з'єднання
відбулося – опитується лічильник, інформація передається до порту та з'єднання
закривається. Центральний пост накопичує інформацію про показання лічильників,
періодичність виходу на зв'язок та поточні динамічні адреси абонентів. Ці адреси
можна використовувати для екстреного виклику абонентів із центрального поста
(якщо є можливість абонентам закривати з'єднання, а не сесію). Якщо абонент
довго не викликав ЦП і не відповідає – отже, аварія. Потрібний виїзд ремонтника.
Досвід реалізацій подібних систем показує, що збір даних із 50 абонентів
потребує приблизно $150 загальних витрат на місяць. Варто звернути увагу і на те,
що дані доступні в будь-якій точці країни, де є покриття мережі, що належить тому
оператору, через мережу якого здійснюється передача даних. Таким чином, можна
зчитувати дані з віддалених об'єктів, розташованих, наприклад, в глухому лісі, на
буровій, що стоїть окремо, або на даху висотної будівлі: вони завжди доступні. А
наявність тепло-, енерго- та водолічильників вже через три місяці експлуатації
повністю окупає всі витрати, пов'язані із закупівлею, встановленням та
обслуговуванням обладнання.
Що ж до програмної частини вимірювальної системи, необхідно відзначити
її деякі особливості: по-перше, всі протоколи передачі мають бути відкритими.
Крім того, повинні застосовуватися протоколи, які тільки добре зарекомендували
себе з погляду перешкодозахищеності та стійкості до збоїв (MODBUS, ProfiBUS).
По-друге, все програмне забезпечення має бути спеціально розроблене для
створення подібних додатків. На базі програмного продукту FactorySuite InTotich,
який є базовим, побудовано понад 70% проектів АСУ у світі.
2.2 Технологія PLC (Power Line Communication) для обміну
телеметричною інформацією
Технологія PLC (Power Line Communication) забезпечує передачу даних по
силових лініях електроживлення. Існує кілька різних технологій PLC: для передачі
даних високовольтних ЛЕП, для передачі даних телеметрії і широкосмугової
передачі даних низьковольтних мереж.
Для побудови систем АСКОЕ використовуються технології PLC, що
забезпечують вузькосмугову передачу даних у діапазоні частот CENELEC A (35-
91 кГц, Росія та Європа), CENELEC B (98-122 кГц, деякі країни Європи), FCC (155-
487 кГц, США). На даний момент на ринку існують стандартизовані технології
передачі даних PLC PRIME, G3PLC, що забезпечують порівняні характеристики, а
також ряд пропрієтарних технологій, частина з яких не відповідає нормам
випромінювання за частотою або потужністю, на що слід звертати особливу увагу
при виборі технології PLC.
Експерименти з передачі даних по електромережі велися досить давно, але
низька швидкість передачі і слабка завадозахищенність були найбільш вузьким
місцем даної технології. Але прогрес не стоїть на місці, і поява потужніших DSP -
процесорів (цифрові сигнальні процесори) дали можливість використовувати
складніші способи модуляції сигналу, такі як OFDM модуляція (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing), що дозволило значно просунутися вперед у
реалізації технології PLC [3].
Недавно кілька великих лідерів на ринку телекомунікацій об'єдналися в
альянс, який отримав назву HomePlug Alliance, з метою спільного проведення
наукових досліджень та практичних випробувань, а також прийняття єдиного
стандарту на передачу даних систем електроживлення. Прототипом PowerLine є
технологія PowerPacket фірми Intellon, покладена в основу створення єдиного
стандарту HomePlug1.0 specification (прийнятий альянсом HomePlug 26 червня
2001 р.), в якому визначена швидкість передачі даних до 14 Мб/сек.
Технологія PowerLine може бути використана при створенні локальної
мережі в невеликих офісах (до 10 комп'ютерів), де основними вимогами до мережі
є простота реалізації, мобільність пристроїв і легка розширюваність.
При цьому як вся офісна мережа, так і її окремі сегменти можуть бути
побудовані за допомогою PowerLine адаптерів. Дуже часто зустрічається ситуація,
коли необхідно включити у вже існуючу мережу віддалений комп'ютер або
принтер, розташований в іншій кімнаті або навіть в іншому кінці будівлі. За
допомогою PowerLine адаптерів цю проблему можна вирішити за 15 хвилин.
PowerLine технологія відкриває нові можливості при реалізації ідеї
«Розумного дому», де вся побутова електроніка була б зав'язана до єдиної
інформаційної мережі з можливістю централізованого управління. Електрична
мережа – ідеальне середовище передачі сигналів керуючих між побутовими
приладами, що працюють у мережі 110/220В. Найближчим часом з'явиться чіп, що
дозволяє вбудовувати його в різні прилади, які матимуть змогу приймати та
передавати дані через власні ланцюги живлення. Крім того, за допомогою даного
чіпу можна організувати передачу аудіо даних, даних із датчиків охоронної
сигналізації, розширювати та продовжувати телефонні лінії тощо.
Сподіватимемося, що недалеко той час, коли PLC технологія будуть присутні у
кожному будинку.
Основою технології Powerline є використання частотного поділу сигналу, при
якому високошвидкісний потік даних розбивається на кілька відносно
низькошвидкісних потоків, кожен з яких передається на окремій частоті піднесучої,
з подальшим їх об'єднанням в один сигнал (рис.1).
Рисунок 2.3 – Частотне розділення [3]
При використанні звичайного частотного мультиплексування (FDM -
Frequency-Division Multiplexing) захисні інтервали (Guard Band) між піднесучими,
необхідні для запобігання взаємного впливу сигналів, досить великі (рис.2.4), тому
доступний спектр використовується дуже ефективно.
Рисунок 2.4 – Звичайний FDM
У разі ортогонального частотно-розділеного мультиплексування (OFDM),
центри піднесучих частот розміщені так, що пік кожного наступного сигналу
збігається з нульовим значенням попередніх (рис.2.5). Таке розміщення дозволяє
ефективніше використовувати доступну смугу частот.
Рисунок 2.5 – Ортогональне частотно-розділене мультиплексування ОFDM
Перед тим як окремі частоти піднесучих будуть об'єднані в один сигнал,
вони зазнають фазової модуляції (рис.2.6), кожна - своєю послідовністю біт.
Після цього всі вони проходять через PowerPacket engine та збираються в
єдиний інформаційний пакет, який ще називають OFDM-symbol. На рис.2.7
наведено приклад відносної квадратурної фазової маніпуляції (DQPSK - Differential
Quadrature Phase Shift Keying) на кожній із 4-х частот піднесучої в діапазоні 4-5
МГц.
Рисунок 2.6 – Фазова модуляція
Рисунок 2.7 – DQPSK модуляція
Реально в технології Powerline використовуються 84 частоти піднесучих в
діапазоні 4-21 МГц (рис.2.8).
Рисунок 2.8 – Реалізація OFDM в технології Powerline
Теоретична швидкість передачі при використанні паралельних потоків з
одночасним фазовим модулюванням сигналів становить понад 100 Мб/с.
При передачі сигналів по побутовій мережі електроживлення можуть
виникати великі згасання в функції передачі на певних частотах, що призведе до
втрати даних (рис.2.9).
Рисунок 2.9 – Передавальна функція
У технології Powerline передбачений спеціальний метод вирішення цієї
проблеми - динамічне вимикання та включення передачі сигналу (dynamically
turning off and on data-carrying signals). Суть даного методу полягає в тому, що
пристрій здійснює постійний моніторинг каналу передачі з виявлення ділянки
спектра з перевищенням певного порогового значення згасання. У разі виявлення
даного факту використання цих частот на якийсь час припиняється до відновлення
нормального значення згасання (рис.2.9) [3].
Даний метод робить технологію Powerline максимально гнучкою під час
використання в різних умовах. Наприклад, у різних країнах існують різні
регулюючі правила, згідно з якими частина діапазону частот не може бути
використана. При цьому у випадку Powerline у цьому діапазоні просто не будуть
передаватися дані. Ще одним прикладом є випадок, коли якийсь додаток вже
використовує частину діапазону. Аналогічно першому випадку, в цьому також
вимикається передача даних на певних частотах, і дві програми можуть спокійно
співіснувати в одному фізичному середовищі.
Рисунок 2.10 – Імпульсні завади при включенні галогенових ламп
Іншою серйозною проблемою при передачі даних побутової електромережі є
імпульсні завади (до 1 мікросекунди), джерелами яких можуть бути галогенові
лампи (рис.2.10), включення та вимикання різних електроприладів і т.д.
При використанні попереднього методу система може не встигнути
адаптуватися до умов, що швидко змінилися, в результаті частина бітів буде
зруйнована і втрачена. Для вирішення цієї проблеми використовується
двоступінчасте (каскадне) завадостійке кодування бітових потоків перед тим, як
вони будуть промодульовані і надійдуть у канал передачі даних. Суть
завадостійкого кодування полягає у додаванні у вихідний інформаційний потік за
певними алгоритмами надлишкових ("захисних") бітів, які використовуються
декодером на приймальному кінці для виявлення та виправлення помилок.
Каскадування блочного коду Ріда-Соломона і простого згорткового коду, що
декодується за алгоритмом Вітербі, дозволяє виправляти не тільки поодинокі
помилки, а й пакети помилок, забезпечуючи тим самим практично 100% гарантію
цілісності даних, що передаються. Крім того, завадостійке кодування є і способом
технічного захичту, що забезпечує відносну безпеку інформації, що передається в
загальному середовищі передачі.
Ще одним проблемним моментом є те, що мережа побутового
електроживлення служить загальним середовищем передачі даних, тобто
одночасно передачу можуть здійснювати відразу кілька пристроїв. У такій ситуації
для вирішення конфліктів зіткнення трафіку необхідний регулюючий механізм
протокол доступу до середовища. Як такий протокол був обраний добре відомий
Ethernet, який у технології Powerline був розширений шляхом додавання
додаткових полів пріоритезації. Така модифікація викликана необхідністю
гарантованої смуги пропускання передачі голосу і відео через IP, коли величина
затримки є критичним параметром. Пакети, що містять голос або відео, у цьому
випадку позначаються як "timing critical", тобто мають найвищий пріоритет при
обробці та доступі до середовища передачі.
Отже, ми розглянули основні засади технології Powerline. На жаль, доступ до
повної версії стандарту HomePlug 1.0 specification обмежений (тільки для членів
HomePlug Alliance), і за кадром залишилися такі цікаві питання як вимоги до
електропроводки, дальності передачі та структура побудови. Приблизно оцінити
окремі параметри можна з прикладу деяких виробників. Так, фірма Phonex
пропонує пристрій Phonex Broadband QX-201 NeverWire 14 (рис.2.11) з
максимальною швидкістю до 14 Мб/с.
Рисунок 2.11 – Підключення різних пристроїв за допомогою QX-201
Відстань між окремими точками невелика, кілька десятків метрів. Як видно з
рис.2.1, об'єднання користувачів у будинку можна здійснювати через мережу
електроживлення, а як доступ до магістральної мережі використовувати один або
кілька модемів (кабельних або DSL).
На даний момент в Україні пропонується великий вибір обладнання для
створення локальних мереж за технологією PLC. Наприклад, виробництва компанії
PLANET 's powerline communication, яке працює з PLC стандартом HomePlug1.0
specification, у якому визначено швидкість передачі даних до 14 Мб/сек. Продукт
носить назву PL-401 E і є мостом з одним PLC-портом, і свитч з чотирма LAN-
портами. Його вартість у середньому становить $80.
Рисунок 2.12 – Обладнання для створення
локальних мереж за технологією PLC
Або PLC адаптер, що дозволяє з'єднувати від 2 до 16 комп'ютерів до єдиної
локальної мережі через електропроводку 220 В.
Дальність передачі сигналу – до 200 м. (по електропроводці);
Швидкість передачі даних – до 14 Mb/сек.;
Захист даних DES 56 bit;
Перемикач PC/HUB;
Не потребує встановлення додаткового програмного забезпечення.
Однак, хоч би якими оптимістичними були результати роботи
експериментальних PLC-мереж за кордоном, у нашій країні ця технологія може
зіткнутися з низкою труднощів. Наша електрична проводка часто зроблена з
алюмінію, а не з міді, яка використовується в більшості країн світу. Алюмінієві
дроти мають гіршу електропровідність, що призводить до більш швидкого
загасання сигналу. Інша проблема полягає в тому, що у нас досі не вирішено
основних питань нормативно-правового регулювання використання таких
технологій. Втім, остання проблема є актуальною і для Заходу. Основним
фактором, що стримує швидкий розвиток високошвидкісних систем PLC, є
відсутність стандартів на широкосмугові PLC-системи, і, як наслідок, великий
ризик несумісності з іншими службами, які використовують ті ж чи близькі
діапазони частот.
2.3 Гетерогенні PLC/RF модеми для систем збирання даних
В результаті аналізу ситуації на ринку систем збору телеметричної
інформації виокремився напрямок реалізації так званих гетерогенних систем, які
використовують як середовище передачі даних спільно як силову лінію (PLC), так
і радіоканал [4].
Оскільки проводка є все-таки більш ізольованим середовищем передачі
даних, ніж радіоканал, як основний інтерфейс обирається PLC. У 2014 році
Міжнародним Союзом Електрозв'язку було випущено нову версію стандарту ITU-
T G.9903, більш відомого під назвою PLC-G3, який і ліг в основу PLC частини
гетерогенного модему.
В роботі [4] фізичний рівень PLC реалізований програмно з урахуванням
власного ЦОС процесора 1967ВН044. Процесор оснащений широким набором
периферії, що дозволяє використовувати його як основний мікроконтролер для
створення виробу. При цьому наявність у його системі команд інструкцій для
прискорення ЦОС обчислень дозволяє виконувати програмний синтез і аналіз
сигналів, необхідних для реалізації фізичного рівня PLC (рис.2.13).
Сам стандарт PLC-G3 розроблявся з урахуванням ненадійності проводки, що
використовується в якості передачі даних і тому містить широкий діапазон засобів
для зниження ймовірності виникнення помилок, зменшення їх впливу на передані
дані та корекції у разі пошкодження.
Для передачі даних використовується фазова модуляція (BPSK/QPSK/8PSK),
що накладає менші вимоги до потужності передавача в порівнянні з рішеннями на
основі частотної модуляції і дозволяє працювати при нижчому співвідношенні
сигнал/шум за рахунок збільшення обчислювальних витрат на пристрої. Дані
передаються одночасно за декількома піднесучими за допомогою ортогонального
мультиплексування (OFDM).
За рахунок використання скремблера та перемежувача дані розподіляються
за піднесучими, що допомагає уникнути повної втрати зв'язку у разі виникнення
перешкод, що потрапляють на частину піднесучих. Стандарт використовує
одночасно лінійне блочне та згорткове кодування для збільшення надійності
доставки даних.
Рисунок 2.13 – Структура фізичного рівня PLC
Як додатковий інтерфейс, а також для зв'язку з пристроями, підключеними
до ізольованих електромереж або не підключеними до них взагалі,
використовується радіоканал у діапазоні 868МГц [4]. Оскільки короткі хвилі
діапазону 2.4ГГц гірше розповсюджуються всередині приміщень, а також ще на
етапі початку розробки в ньому вже було «досить тісно» то вибір стояв в
основному між 433 і 868МГц. Обидва діапазони дозволяли використання пристроїв
загального призначення, так що ділити ефір з китайською продукцією всілякого
призначення довелося б у будь-якому випадку, але 868МГц здавався на момент
розробки системи перспективнішим і в результаті вибрали його, і як згодом
виявилося — не помилилися.
На відміну від PLC частини, радіоканал реалізований на готовому трансивері
CC1200 виробництва Texas Instruments, але в майбутньому передбачається
розробка власної радіочастотної ІС в тому числі і для даного застосування.
Існує підтримка десятка низькошвидкісних (1.2-9.6 Кб/c) каналів у діапазоні
868,7-869,2 МГц для передачі даних і двох високошвидкісних (125 Кб/c) каналів в
діапазоні 866-868МГц налаштування та оновлення самих пристроїв.
Для передачі даних фізично в радіоінтерфейсі використовується модуляція
2GFSK, зменшення ширини спектру і зниження позасмугових випромінювань.
Фізично використовується FEC зі стандарту IEEE 802.15.4 для підвищення
надійності роботи каналу зв'язку. Систему каналів можна використовувати як для
співіснування різних мереж на одному об'єкті, так і для локального поділу
підмереж для зниження утилізації ефіру та підвищення загальної пропускної
спроможності мережі.
Все описане вище розроблялося та тестувалося з позитивними результатами
на території компанії-розробника, але найцікавіше почалося після встановлення
пробних партій на реальні об'єкти. Реальність показала, що складнощів може
виявитися більше, ніж спочатку передбачалося [4].
PLC частина модему:
1. Теоретична модель імпедансу мережі, передбачувано не відповідає
реальному опору електричної мережі, і ступінь цієї невідповідності може досягати
кількох порядків на окремих частотах.
2. Будь-який реальний об'єкт - він «живий», на ньому присутні люди, які
можуть включати та вимикати різне обладнання, і стан середовища передачі може
значно змінюватися протягом доби.
3. Найбільшу проблему для PLC сигналу представляють не перешкоди від
використання побутових приладів, а поглинання сигналу за рахунок вхідних
ємностей імпульсних блоків живлення. В електричній мережі з великою кількістю
ымпульсних джерел живлення рівень PLC сигналу досить швидко опускається до
негативних значень SNR, в таких умовах корисний сигнал ще можна витягнути (за
рахунок використання PSK) і відновити (за рахунок кодів корекції), але навіть при
цьому частка пошкоджених пакетів починає досить швидко складати понад 50%.
4. Електрична мережа має розподілену структуру і сигнал, який відмінно без
спотворень проходить бухту кабелю 300м, може легко не пройти стояком з підвалу
до 10 поверху звичайного багатоквартирного будинку.
5. В електричній мережі об'єкта вже можуть бути PLC пристрої, що
використовують різні діапазони спектру та типи модуляції (наприклад, S-FSK).
RF (радіочастотна) частина модему:
1. Існуючі моделі можуть з непоганим наближенням описати поведінку
радіосигналу на відкритій місцевості, але не в закритих приміщеннях зі складною
геометрією. В них основну роль починають грати перевідбиття сигналу від стін і
перекриттів і додавання прямих і відбитих сигналів і від фаз кожної з компонентів
сигналу залежить ступінь ослаблення кожної конкретної точки простору.
Теоретично хорошу точність повинна показати багатопроменева модель, але для
таких розрахунків необхідно мати докладні плани кожного об'єкта, але
малоймовірно, що цим займатимуться перед встановленням приладів обліку.
Фізично ефект завмирання проявляється у тому, що у приміщенні утворюються
області, у яких стабільний радіообмін утруднений чи взагалі неможливий.
2. Лічильники електроенергії часто встановлюються в поверхові щити обліку
на сходових майданчиках, які являють собою, мабуть, гірші умови, в які можна
помістити обладнання, що використовує радіоканал — залізні двері з переднього
боку та залізобетон конструкцій або металеві стінки ящика з трьох інших сторін.
ідеальні умови, якщо не для екранування сигналу, то, як мінімум, для його
множинних перевідбитів.
Багато виробників систем обліку пропонують такі способи вирішення
проблем якості каналів:
1. Встановлення додаткових шлюзів та базових станцій.
2. Встановлення ретрансляторів PLC або RF сигналу.
3. Використання датчиків або приладів обліку як ретрансляторів.
Звісно, з погляду покупця системи перший спосіб є найгіршим рішенням,
оскільки веде до додаткових витрат. Класична ретрансляція, що реалізується
повторною відправкою прийнятих пакетів, проста в налаштуванні, але значно
збільшує навантаження на мережу, знижує корисну утилізацію каналу (при
підвищенні загальної).
У гетерогенній мережі крім пристроїв з PLC/RF модемами можуть бути
присутні пристрої тільки з RF інтерфейсом і з автономним або низьковольтним
живленням, як квартирні радіомодулі (лічильники імпульсів, що підключаються до
лічильників води, газу і тепла з імпульсним виходом), датчики температури і
вологості , газосигналізатори і т.д.
Для пристроїв з автономним живленням основним завданням, окрім власне
обліку, є збереження заряду батарей. Це накладає обмеження на час роботи
радіомодуля навіть у режимі прийому, тому велику частину часу радіотрансівер
пристрою знаходиться в сплячому режимі і включається лише раз на певний період
для опитування показань. Такий режим роботи накладає додаткові вимоги до
синхронізації часу між пристроями, оскільки він неминуче буде «плисти» через
похибки кварцових резонаторів та збиватися при заміні елементів живлення. Для
вирішення цього завдання на канальному рівні додано протокол MTP, що є
спрощеним аналогом загальновідомого алгоритму PTP. Кожен пристрій раз за
певний інтервал часу робить широкомовні розсилки зі своїм поточним часом і
віддаленістю від координатора (stratum). Вузли мережі вибирають пристрій з
найменшою віддаленістю і розкидом часу і додаються в дерево після них, стаючи
наступним шаром джерел часу [4].
Рисунок 2.14 – Приклад побудови дерева алгоритмом MTP
3. ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕТРИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ
МАГНІТОІНДУКТИВНОЇ СИСТЕМИ
3.1 Постановка задачі
В даний час спостерігається бурхливий розвиток таких технологій, як
«Розумний дім», «Інтернет речей», автоматизовані системи збору даних із
лічильників ресурсів (АСКОЕ- автоматизована система комерційного обліку
електроенергії та інші), системи безпеки та пожежоохоронної сигналізації. Як
фізичне середовище передачі в них традиційно використовуються цифрові
радіоканали (Wi-Fi, GSM, ZigBee тощо), дротові (Ethernet, RS-485) і рідше — PLC-
канали [5].
В даний час у бездротових системах малого радіусу дії набирає популярності
технологія NFMI (Near Field Magnetic Induction - магнітна індукція ближнього
поля), розроблена китайською компанією Cannice Technology [9]. Інтерес
розробників систем малого радіусу дії до цієї технології пов'язаний насамперед з
тим, що вона дозволяє створювати локалізований у просторі канал передачі даних,
що мало споживає, з високою пропускною здатністю. Істотним недоліком
технології NFMI у її сучасному уявленні залишається обмежена дальність передачі
сигналів у вільному просторі, що становить близько 1 м. Чи можливо, не змінюючи
специфікацій NFMI, підвищити її дальність? В статті [5] розглядається можливість
симбіозу технології NFMI та феромагнітного каналу (ФМК) з метою підвищення її
дальності та створення недорогої системи телеметрії на основі вже існуючої
технології. NFMI спільно з ФМК може знайти застосування при організації
низькошвидкісних сенсорних мереж малого радіусу дії, зв'язку між пристроями в
системах «розумний дім», при застосуванні ретрансляторів в автоматизованих
системах збору даних з лічильників ресурсів, організації каналів зв'язку різних
рівнів у вугледобувних шахтах.
Технологія NFMI використовує магнітну індукцію ближнього поля. Для
цього застосовуються дві котушки індуктивності, що передають цифрову
інформацію модульованим магнітним потоком. Як несуча використовується
гармонійне коливання в діапазоні частот, обмеженому смугою 3-15 МГц. Основні
переваги NFMI:
• можливість формування направленого поля для передачі сигналів;
• висока завадозахищенність;
• висока електромагнітна сумісність з іншими пристроями, що передають,
внаслідок спрямованості магнітного поля; робота в діапазоні частот, що не
ліцензується.
В даний час випускається комплект мікросхем NxH2280 від компанії NXP,
що реалізує технологію NFMI у вільному просторі і застосовується в основному в
бездротових навушниках і апаратах для тих, хто погано чує. При розміщенні
котушок у вільному просторі магнітний потік, що передається в класичній
технології NFMI, швидко спадає через розсіювання. Для подолання цього недоліку
під час передачі магнітного потоку пропонується використовувати феромагнітний
канал. Передавальна та приймальна котушки співвісно розміщуються на
конструкції, виконаній з феромагнітного матеріалу, наприклад сталевого
трубопроводу. Котушки намотуються безпосередньо на трубопровід і можуть бути
виконані з гнучкої алюмінієвої або мідної стрічки, що застосовується для
екранування. Даний тип стрічки має дуже малий питомий опір і досить
технологічний у використанні. Для зменшення втрат при введенні та виведенні
магнітного потоку необхідно мінімізувати величину зазору між обмоткою та
поверхнею магнітопроводу. Для вирішення цього завдання оптимальна гнучка
стрічка на клейовій основі. При поширенні магнітного потоку в магнітопроводі
істотну роль відіграють такі характеристики, як відносна магнітна проникність
матеріалу магнітопроводу та його геометрія. У сукупності ці фактори надають
фокусуючий вплив на магнітний потік, що передається.
При виборі та проведенні техніко-економічного обґрунтування
впровадження подібних систем на промислових об'єктах та об'єктах житлово-
комунального господарства нерідко гостро постає питання про вибір каналів
передачі даних на фізичному рівні з урахуванням факторів перешкодозахищеності,
енергоспоживання, вартості інсталяції та абонентської плати. Магнітоіндуктивна
система передачі інформації з використанням вже існуючої трубопровідної
інфраструктури може бути конкурентоспроможним технічним рішенням при
побудові низькошвидкісних (до 32 кбіт/с) систем телеметрії та збору даних у разі,
коли застосування серійних провідних та бездротових систем аналогічного
призначення важке або економічно недоцільне.
Передача сигналів у магнітоіндуктивній системі заснована на законі
електромагнітної індукції та використанні як середовище поширення поверхні, що
служить провідником магнітного поля.
Таким чином, у середовищі реалізується феромагнітний канал передачі
інформації.
Магнітоіндуктивна система передачі інформації має такі переваги:
• при їх реалізації не потрібні трудомісткі роботи з прокладання
електропроводки;
• висока перешкодозахищеність модульованого магнітного потоку до
індустріальних електромагнітних завад завдяки направленості та просторовій
локалізації магнітного поля у феромагнітному каналі;
• переважання магнітної компоненти поля в несучому сигналі над електричною,
що позитивно відбивається на електромагнітній сумісності апаратури каналу з
радіозасобами, що знаходяться в безпосередній близькості до нього (десятки
см).
3.2 Принцип функціонування магнітоіндуктивної системи передачі
інформації та теоретичне обґрунтування
Структурна схема магнітоіндуктивної системи передачі інформації показано
на рис.3.1. Вона представляє собою систему, що складається з приймально-
передавальних котушок (2), (4), розташованих на трубопроводі (3), до яких
підключені трансмітери абонента (1), і центрального вузла (5), пов'язаного з
пристроєм реєстрації (6).
Рисунок 3.1 – Структурна схема магнітоіндуктивної системи передачі інформації
У процесі розробки МСПІ було розглянуто теоретичну модель каналу зв’язку
[5] та визначено основні електрофізичні характеристики, які впливають на процес
поширення магнітного потоку в магнітопроводі, утвореному замкнутою металевою
конструкцією.
До таких характеристик належать:
• характеристики втрат на струми Фуко та перемагнічування в магнітопроводі;
• коефіцієнт зв'язку між передавальною та приймальною котушками;
• характеристики АЧХ.
Аналіз процесів передачі сигналів по магнітоіндуктивному каналу [5]
показав, її ефективність визначається в основному наступними факторами:
• похідною огинаючої або частотою струмового сигналу несучої (наслідком
закону електромагнітної індукції);
• потужністю несучої;
• наявністю або відсутністю в середовищі передачі об'єктів, що екранують
магнітні поля;
• мінімальними втратами під час введення та виведення сигналів у магнітопровід.
При використанні в МСПІ несучої, що є гармонійним коливанням, з
підвищенням його частоти зростає споживана потужність вихідного каскаду
передавача, знижується добротність передавальної котушки. Тому як несуча
використовується надширокосмуговий сигнал (НШСС) [5] - короткоімпульсна
послідовність високої шпаруватості, яка вільна від зазначених недоліків.
Згідно з документом [6], надширокосмуговим сигналом є сигнал, що має
відносну ширину смуги частот за рівнем –10 дБ більше 0,2:
f − f
= max min (3.1)
fc
де fmax — найвища частота, де спектральна щільність потужності передачі НШСС
становить –10 дБ відносно fm;
fmin - найменша частота, на якій спектральна щільність потужності передачі НШСС
становить -10 дБ відносно fm;
fm - частота максимальної передачі;
fс = (fверх + fниж)/2 - центральна частота спектру.
Надширокосмугові сигнали даного типу знаходять застосування в НШС-
радіосистемах цифрової передачі інформації на короткі (до десяти метрів) відстані
і відрізняються високою захищеністю, відсутністю багатопроменевого поширення,
проникненням крізь металеві елементи будівельних конструкцій з малим
загасанням (4-6 дБ).
Рисунок 3.2 – Короткий радіоімпульс
Рисунок 3.3 – Спектр короткого радіоімпульсу
Цей тип сигналів дозволяє створювати каскади з високим пік-фактором —
відношенням пікової потужності до середньої — і тим самим отримати необхідну
дальність роботи.
Елемент несучої послідовності — короткий радіоімпульс та його спектр
показано на рис.3.2 та рис.3.3 відповідно.
Теоретична модель МСПІ може бути представлена у вигляді еквівалентного
чотириполюсника - трансформатора з рознесеними первинною та вторинною
обмотками. Еквівалентна схема представлена на рис.3.4.
Рисунок 3.4 – Модель магнітоіндуктивної системи передачі інформації
На схемі позначено:
U - джерело сигналу;
R1 - сумарний опір втрат джерела сигналу і передавальної котушки;
L1 - вхідна індуктивність;
L2 - вихідна індуктивність;
М - взаємна індуктивність;
G0 - провідність активних втрат у магнітопроводі;
R2 - опір навантаження приймача;
M = k0 L1L2 (3.2)
де k0 - коефіцієнт зв'язку між обмотками,
P
G п
0 = (3.3)
Um
де Рп - сумарна потужність теплових втрат у магнітопроводі на перемагнічування
та струми Фуко;
Um – амплітуда сигналу передавача.
Величина Рп може бути оцінена як [5]:
2 2
f B
Рп = Ps m (3.4)
f1 B1
де Ps - питомі масові втрати;
m - маса фрагмента магнітопроводу між передавачем і приймачем;
f - робоча частота;
f1 - базова розрахункова частота 1кГц;
В – величина магнітної індукції;
B1 - величина базової магнітної індукції 1 Тл.
Виходячи з 1 і 2 законів Кірхгофа і враховуючи, що струм у гілці L2R2
набагато менше струму через М, отримаємо наближений розв’язок для вихідного
сигналу [5]:
2
t
0
t −
U = I M 2f exp−
2
2 1m c cos(2f t ) (3.5)
2t2 c
0
де I1m - амплітуда струмового імпульсу в передавальній обмотці;
fc - частота заповнення;
t0 - тривалість імпульсу.
З формули (3.5) видно, що ефективність передачі сигналу визначається
взаємоіндукцією М, яка лінійно залежить від коефіцієнта зв'язку k0 між
котушками. Коефіцієнт зв'язку k0 визначає енергетичні втрати МСПІ і, отже, при
обраному типі несучої обмежує швидкість передачі. Залежності коефіцієнта зв'язку
для різних типів магнітопроводів наведені в роботі [7].
Енергетичне рівняння феромагнітного каналу передачі має такий вигляд:
1
Рпр (дБ) =10 lg (Р0 ) –10 lg –10 lg (Рп ) (3.6)
k0
де Р0 - потужність сигналу, що передається, Вт.
3.3 Вибір приймально-передавальних котушок для вводу/виводу
сигналів у феромагнітний канал
Найважливіший елемент МСПІ - пристрій вводу/виводу модульованого
магнітного потоку в феромагнітний канал. Як показали попередні теоретичні та
експериментальні дослідження, оптимальним з точки зору мінімізації
енергетичних втрат і широкосмуговості є одновитковий соленоїд [8], оскільки він
має мінімальну постійну часу і його конструкція може забезпечити мінімальний
зазор між магнітопроводом (трубою) і обмоткою соленоїда.
Величина зазору робить істотний внесок у енергетичні втрати в МСПІ.
Одновитковий соленоїд для систем МСПІ може бути реалізований двома
способами [5]:
• із використанням тонкої, близько 0,2–0,5 мм, ізольованої мідної пластини,
виконаної у формі одного витка та закріпленої на елементі металевої
комунікації;
• з використанням короткозамкнутого з двох сторін плоского шлейфу, наприклад
RC-20 (рис.3.5), що закріплюється на металевій комунікації у формі витка і
приєднується до приймального модуля за допомогою роз'ємів на шлейф типу
IDC.
а) б)
Рисунок 3.5 – Плоский шлейф RC-20 (а) і роз'єм на шлейф типу IDC (б)
Варіант конструкції одновіткового соленоїда та його кріплення на
магнітопроводі (трубі) показаний на рис.3.6.
На представленому рисунку показано:
• металоконструкція, що є каналом передачі (циліндр, позначений лінією чорного
кольору);
• одновитковий соленоїд у розрізі, закріплений на металоконструкції
(напівциліндр, позначений лінією сірого кольору);
• кронштейни для кріплення (пластини П-подібної форми);
• металева підкладка для кріплення клемних вузлів приєднання до трансмітерів
абонентського та центрального вузла.
Рисунок 3.6 – Конструкція одновиткового соленоїду [5]
Для реалізації приймального елемента можна застосовувати високочутливі
інтегральні сенсори магнітного поля, що ґрунтуються на ефектах магнітної
анізотропії (АМР-датчики), та гігантського магніторезистивного ефекту (ГМР-
датчики) [8].
Безконтактність, висока надійність, нечутливість до бруду та вологи,
відсутності освітлення, впливу прискорення або гравітації – це основні переваги
магнітних систем.
Рівень розвитку технології датчиків магнітного поля перекриває будь-які
види чутливості до температурних, механічних та електричних впливів,
включаючи непряму чутливість вимірювальних систем до ударів та вібрації, вплив
нестабільності електричного інтерфейсу, перепадів температур та
електромагнітних перешкод. Для датчиків магнітного поля характерна відсутність
крихких частин, твердотільність, високий ступінь інтеграції та мініатюризації
датчиків, здатних працювати в парі з малим постійним магнітом. Існує велика
компонентна база інтегральних датчиків Холла та альтернативних XMR-рішень
для інтеграції у стандартні вимірювальні конфігурації.
Розробники прагнуть охопити всі існуючі та пропонують нові застосування
датчиків магнітного поля, оптимізуючи свої нові пропозиції компонентів щодо
забезпечення функціональності, рівня характеристик, енергозбереження, розмірів
корпусів. Паралельно лідери у цій сфері демонструють нові рівні системної
інтеграції, функціональної безпеки, пропонують нові архітектури, інтегральні та
неінтегральні технології та рішення, і навіть нові комбінації датчиків магнітного
поля з іншими пристроями у мікромасштабному вимірі, наприклад, з
енергозбирачами.
3.4 Розробка функціональної схеми магнітоіндуктивної системи передачі
інформації
За технологічними обмеженнями, можлива реалізація пристрою
вводу/виводу з постійною часу не менше ніж 30 нс [5]. Виходячи з цього для
мінімізації часових спотворень у тракті як несучий сигнал доцільно
використовувати імпульс гаусової форми тривалістю 300 нс (за рівнем 0,5) і
частотою заповнення 10 МГц. Швидкість передачі вихідного тестового сигналу
обрано 9600 біт/с.
Алгоритм роботи приймально-передавального пристрою (трансмітера)
пояснюється функціональною схемою (рис.3.7).
Рисунок 3.7 – Функціональна схема МСПІ
Приймальний і передавальний модуль і мікроконтролер перебувають у
режимі мікроспоживання в очікуванні команди запиту диспетчерського центру,
передавач якого підключений до феромагнітного каналу. При надходженні та
декодуванні команди запиту мікроконтролер активує передавальний модуль і
формує команду відповіді в USART-форматі з перетворенням її в канальний
сигнал.
USART – від англ. Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter -
Універсальний Синхронний/Асинхронний Приймач. Крім ліній передачі даних,
може мати окрему лінію сигналу синхронізації. Головна відмінність USART від
UART у тому, що може працювати як і синхронному, і у асинхронному режимах.
У синхронному режимі, для синхронізації приймального та передавального
пристроїв, з передавальної сторони можуть надсилатися сигнали синхронізації по
лінії даних, або може використовуватися окрема лінія синхронізації. Синхронний
режим зазвичай використовується у специфічних випадках (наприклад, якщо
необхідно забезпечити високу швидкість передачі даних).
В асинхронному режимі - синхронізація здійснюється тільки за стартовими
бітами, без будь-яких додаткових сигналів синхронізації, тому для успішної
передачі даних приймач і передавач заздалегідь повинні бути налаштовані на
однакові швидкості обміну та формат пакетів. Оскільки реалізація асинхронного
режиму простіша, то в переважній більшості випадків для простих завдань
використовують саме його.
Команда відповіді містить інформацію про величину сигналів, що надходять
із джерела сигналу на вхід мікроконтролера.
Формування канального сигналу відбувається у два етапи.
На першому етапі програма мікроконтролера перетворює вихідний USART-
сигнал, що передається в послідовність однополярних імпульсів за наступним
алгоритмом:
• логічному «0» відповідають два імпульси тривалістю 5 мкс кожен, з інтервалом
між ними 10 мкс. При передачі логічного «0» часове положення імпульсів
центроване відносно середини тактового інтервалу посилки, при цьому захисні
інтервали на початку і в кінці посилки становлять не менше 5 мкс.;
• логічній «1» відповідає пауза.
Тривалості логічного "0" і логічної "1" визначаються величиною швидкості
передачі USART-сигналу.
На другому етапі кожен імпульс з виходу мікроконтролера надходить у
передавальний модуль, де перетворюється на знакозмінний імпульс тривалістю 300
нс, з частотою заповнення 10 МГц і амплітудою 400 В, який надходить на
передавальну котушку. Формування канального імпульсу засноване на
використанні коливального контуру ударного збудження в передавальному модулі.
Передавальна котушка створює модульований знакозмінний магнітний потік, що
поширюється феромагнітним каналом.
Прийом та декодування канального сигналу на приймальному кінці
здійснюється наступним чином.
Приймальний соленоїд перетворює модульований магнітний потік у
послідовність електричних імпульсів, що надходять у приймальний модуль з
підсиленням приблизно 10 дБ, де відбувається фільтрація та амплітудна
дискримінація прийнятої імпульсної послідовності, вихід якого підключений до
входу мікроконтролера. Перетворення вхідного імпульсного сигналу USART-
формат і його декодування здійснюється програмою, що знаходиться в пам'яті
мікроконтролера. При реєстрації мікроконтролером першого імпульсу по його
задньому фронту програмно формується затримка 8 мкс і в часовому інтервалі 8-
10 мкс очікується поява другого імпульсу. У разі виявлення приймається рішення
про прийом логічного «0», у разі його невиявлення перший імпульс вважається
завадою і приймається рішення про прийом логічної «1». Декодований потік
перетворюється на послідовність символів, яка відображається на індикаторі.
Як феромагнітний канал розглядається ділянка трубопроводу системи
водопостачання будівлі.
В роботі [5] показано, що для трубопроводу, виконаному із матеріалу сталь
СТ-3, відношення ЕРС на приймальній та передавальній котушці від відстані
описується математичним виразом:
прийм
= 0,8543 e−0,518x . (3.7)
перед
Вираз (3.7) представляє собою апроксимацію експериментальних даних,
тому для близьких відстаней (до 1 метру) ця формула дає помітну похибку, проте
для відстаней, які представляють практичний інтерес достовірність результатів
дуже висока. Графік залежності характеристики розповсюдження магнітного
сигналу від відстані між соленоїдами представлено на рис.3.8.
Рисунок 3.8 – Графік залежності відношень ЕРС на приймальній та
передавальній котушці від відстані
В роботі [5] показано, що дальність (без ретрансляторів) передачі
телеметричної інформації для розробленої магнітоіндуктивної системи становить
близько 80 м при відношенні сигнал/шум на вході приймального тракту 18 дБ.
3.5 Вибір трансмітерів для вводу/виводу сигналів у феромагнітний канал
На відміну від інших способів передачі інформації магнітоіндуктивний метод
має обмежу елементну базу, оскільки цей напрямок є новим і тільки набирає
популярності. В даній роботі приймальний та передавальний модулі пропонується
реалізувати на основі мікросхеми NxH2280 [10]. В передавальному модулі
мікросхема підключена до схеми струмового драйвера, навантаженої на
передавальну котушку (рис.3.9). Через різні комунікаційні інтерфейси до
приймально-передавального модуля можуть бути підключені датчики Д [9].
Рисунок 3.9 – Вибір апаратних засобів для реалізації
магнітоіндуктивної системи передачі інформації
Приймальна котушка підключається до підсилювача, що має
високоімпедансний вхід, вихід якого з'єднаний з приймальним модулем,
аналогічним модулю передавача. Приймальна та передавальна котушки
розташовуються на магнітопроводі з феромагнітного матеріалу. Струмовий
драйвер може бути виконаний у вигляді мостового перетворювача напруги або
регульованого джерела струму на операційному підсилювачі. Аналіз та розрахунок
схем подібних пристроїв докладно викладено у роботі [11].
Для підвищення перешкодозахищеності передавальна та приймальна
котушки повинні бути укладені в екрани, виконані у вигляді незамкнутого мідного
витка. Мікросхема NxH2280 має розвинений функціонал, що дозволяє будувати
системи збору даних з різних датчиків, що мають аналоговий вихід або цифровий
інтерфейс.
Мікросхема містить:
• програмований користувачем мікроконтролер на базі ARM Cortex-M0;
• розвинений набір системної периферії: блок тактування; блок контролю
живлення DMA;
• периферія загального призначення: таймери, порти введення/виведення;
• комунікаційні інтерфейси: I2C, UART, SPI;
• розвинена аудіосистема: цифровий сигнальний процесор Cool Flux DSP, що
програмується користувачем, аудіокодек, I2S;
• приймач NFMI.
Блок-схема мікросхем NxH2280 від NXP показано на рис.3.10.
Кожна з мікросхем NxH2280 підтримує два канали NFMI на прийом і
передачу. Також існує можливість багатострумової передачі або прийому даних.
Швидкість передачі дозволяє транслювати аудіо із частотою семплювання від 16
кГц до 48 кГц. При цьому пристрої NxH2280 здатні поєднатися в мережу з числом
учасників до 15.
NxH2280 дозволяє реалізовувати малогабаритні та малоспоживаючі пристрої
завдяки своїм особливостям:
• мінімальне споживання: всього 1,2 мА при частоті семплювання 16 кГц та 1,9
мА при частоті семплювання 48 кГц;
• можливість роботи з низькими робочими напругами, що робить актуальним
використання повітряно-цинкових елементів живлення;
• малі габарити: на платі NxH2280 займає лише 11 мм2.
Рисунок 3.10 – Блок-схема мікросхем NxH2280 від NXP
Крім того, що корпус NxH2280 займає мінімум місця на платі, варто
відзначити і просту схему включення мікросхеми. Для роботи їй потрібно лише
кілька зовнішніх компонентів. У результаті сама система виявиться
надкомпактною (рис.3.11). Тобто вже зараз можна розмістити мікросхему з
обв'язкою, передавач, батарейку у габаритах внутрішньоканального навушника
[10].
На виставках компанія NXP активно просуває нову технологію, і вже зараз
пропонує розробникам випробувати можливості NxH2280 за допомогою
оціночного набору NxH2280 starter kit [10]. Цей набір дозволяє без втрат часу
розпочати створення NFMI-пристроїв та дослідити можливості однонаправленої та
двонаправленої передачі даних, а також передачі звуку (у тому числі стерео).
Основним елементом набору є налагоджувальна плата, на якій поміщений
мікроконтролер LPC1115, аудіокодек, з'єднувачі для налагодження та
програмування, Mini USB, РК-екран, кнопки користувача та системні.
Рисунок 3.11 – Порівняльні розміри NxH2280 з друкованою платою
Налагоджувальний набір включає: три налагоджувальні плати, три NFMI
антени, одну плату налагодження LPC expresso, USB-кабель, пару аудіокабелів
(роз'єм mini-jack), Flash-накопичувач з документацією та ПЗ (рис.3.12).
Рисунок 3.12 – Стартовий набір NxH2280 starter kit
Очевидно, що нова технологія NFMI і мікросхеми NxH2280 будуть потрібні
не тільки в навушниках. Вони представляють інтерес для підключення різних
датчиків (наприклад, в медицині), для зв'язку мобільних гаджетів, наприклад,
розумного годинника і смартфона, і т.д.
Виходячи з викладеного, можна зробити такі висновки:
• існує принципова можливість створення низькошвидкісних, до 32 кбіт/с,
цифрових систем передачі інформації феромагнітним каналом, зокрема
трубопроводами систем тепло- і водопостачання будівель;
• феромагнітний канал має високу запобіжну захищеність завдяки направленості
магнітного потоку в середовищі поширення і слабкої чутливості до зовнішніх
електромагнітних завад;
• феромагнітний канал має природну електромагнітну сумісність з іншими
електронними пристроями завдяки його фізичним особливостям: просторовій
локалізації магнітного потоку в ближній зоні та домінуванням магнітної
компоненти в переданому сигналі;
• феромагнітний канал може бути конкурентоспроможним технічним рішенням
при побудові систем телеметрії та збору даних у разі, коли використання
серійних провідних та бездротових систем аналогічного призначення важко або
економічно недоцільне.
ВИСНОВКИ
На нашій планеті безперервно і дуже бурхливо йде процес зростання
чисельності населення, що призводить до скорочення доступних енергетичних і
природних ресурсів. В цих умовах стає актуальним посилення контролю над їх
раціональним використанням.
Автоматизовані системи обліку та контролю енергоресурсів – потужний
інструмент у руках фахівців для отримання «з перших вуст» достовірної інформації
про споживання об'єктів обліку, її аналізу, виявлення та припинення крадіжки
енергоресурсів, газу, води, тепла, зниження операційних витрат компаній на
отримання інформації з приладів обліку.
Стало зрозуміло, що загальний тренд спрямований не на окремі прилади
обліку, а на створення автоматизованих систем обліку енергоресурсів. Багато
виробників почали закладати у свої прилади обліку різні інтерфейси для зняття
показників та віддаленого керування. Як інтерфейси можна було зустріти різні
рішення, починаючи від класичного для промисловості RS-485 до різних реалізацій
радіочастотних і PLC трансиверів, були навіть екзотичні варіанти на кшталт
Ethernet.
В основі сучасних лічильників лежить модульна конструкція, що дозволяє
додавати інтерфейс передачі даних у вигляді окремої друкованої плати на етапі
виробництва, що дозволяє уніфікувати конструкцію модельного ряду приладів
обліку.
Основним недоліком більшості систем АСКОЕ різних виробників були
проблеми з якістю зв'язку. Часто про необхідність автоматизованого збору даних
замислюються вже на останньому етапі, коли простягати додаткові кабелі (навіть
невеликі для RS-485) бажання чи можливостей немає, тому вибір робився у бік
використання бездротових/радіочастотних інтерфейсів, або використання вже
існуючої кабельної мережі розподілу електроенергії, за допомогою PLC
інтерфейсу. Для обох способів характерна підвищена чутливість до зовнішніх
перешкод. Також, враховуючи зростаючий попит на прилади, вироблені у Китаї,
які до сертифікації по радіочастотному діапазону, рівню позасмугових перешкод
(зазвичай друга та третя гармоніки) та електромагнітної сумісності відносяться,
м'яко кажучи, досить вільно, отримуємо високу зашумленість як радіоканалу, і
електромереж, що негативно позначається на надійності даних каналів зв'язку.
У роботі розглядаються магнітоіндуктивні системи передачі цифрової
інформації (МСПІ) стосовно систем промислової телеметрії та збору даних. Акцент
зроблено на використання феромагнітного каналу, в якості якого може бути
використана будь-яка поверхня, яка є провідником магнітного поля, наприклад,
металеві конструкції будівель або труби системи тепло- та водопостачання.
Наводяться результати теоретичних оцінок та обґрунтування вибору технічних
характеристик МСПІ феромагнітним каналом.
Список використаної літератури
1. Телекоммуникационные системы и сети: учеб.пособие. В 3 т. / под ред.
В.П.Шувалова. – 3-е изд., испр. и доп., Т.1: Современные технологии /
Б.И.Крук, В.Н.Попантонопуло, В.П.Шувалов. – М.: Горячая линия – Телеком,
2005. – 647 с.: ил.
2. Редько А. Телеметрическое оборудование в системах учёта служб ЖКХ. //
Беспроводные технологии №1, 2007. - С.10-11 – Режим доступу: https://wireless-
e.ru/gsm/uchyot-v-zhkh/
3. Технология PLC (Power Line Communication) – Режим доступу:
http://network.xsp.ru/5_5.php
4. Гетерогенные PLC/RF модемы для систем сбора данных. – Режим доступу:
https://habr.com/ru/company/milandr/blog/557172/
5. Жижин В. Магнитоиндуктивные системы передачи информации: перспективы
применения в телеметрии // Беспроводные технологии №2, 2019. - С.50-53 –
Режим доступу: https://wireless-e.ru/wp-content/uploads/5550.pdf
6. Рекомендація МСЕ-R SM.1755 – Режим доступу:
https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/sm/R-REC-SM.1755-0-200605-I!!PDF-
R.pdf
7. Варламов В. Краткий справочник конструктора РЭА. М.: Советское радио, 1972
8. Сысоева С. Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые
перспективы. Часть 3. XMR (АМР/ГМР/ТМР) — конкуренты датчиков Холла.
// Компоненты и технологии №8, 2014. - С.49-62 – Режим доступу:
https://sensor-e.ru/magnetic-field/xmr/datchiki-magnitnogo-polya-chast-3/
9. Жижин В. Технология NFMI и ферромагнитный канал. // Беспроводные
технологии №4, 2019. - С.48-51 – Режим доступу: https://wireless-e.ru/wp-
content/uploads/5748.pdf
10. Микросхемы NxH2280 для беспроводной технологии NFMI - там, где Bluetooth
бессилен – Режим доступу: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=278029
11. Семенов Ю. Силовая электроника. М.: Солон-Пресс, 2008.