Безжични сензори и мрежи

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2005

Стефан Куцаров

Количеството на използваните сензори в техните класически индустриални приложения непрекъснато нараства. Едновременно с това сензорите навлязоха в нови области като сградна автоматизация, контрол на параметрите на околната среда, селско стопанство. Все повече сензори се използват и в превозните средства. Класическият начин за предаване по проводникови мрежи на електрическите сигнали от сензорите към устройствата за събирането и обработката им създава все повече затруднения, включително увеличаване на цената на системите. Това е особено подчертано при изграждането на проводникови сензорни мрежи в съществуващи сгради, при монтиране на сензорите на труднодостъпни места и подвижни обекти. Графиките на фиг. 1а показват разходите за изграждане на жична и безжична система и за инсталиране на регистриращо устройство (Data Collector) за натрупване на данните от сензорите. Вижда се нарастващото предимство на безжичните сензорни мрежи (Wireless Sensor Network) WSN при увеличаване на броя на сензорите. Именно това прави икономически оправдана по-високата цена на безжичните сензори (Wireless Sensor) WS, тъй като заедно с разходите за монтаж те се оказват по-евтини от сензорите с проводникова връзка. Важно изискване към WS са малките размери поради нарастващата нужда от прикрепване към или вграждане в съществуващи устройства, както и за контрол на подвижни обекти. Съвременни лабораторни модели на WS вече могат да работят до 10 години (в зависимост от времето между две измервания и обема на данните от тях) без смяна на вградената миниатюрна батерия. Експлоатационните разходи на WSN са по-малки от тези на проводниковите сензорни мрежи (графики 1 и 2 на фиг. 1б). Това е особено подчертано при наличие в мрежата и на регистриращи устройства, чиито показания периодично трябва да се отчитат (графики 3-5). Когато това се прави от лице, което трябва да ги обикаля периодично, разходите са още по-големи. Към изброените предимства се прибавя и възможността за свързване към WSN на измервателни уреди и средства за охрана, както и за управление на изпълнителни механизми.

Безжични сензори

Те представляват съвкупност от сензор или сензори за различни величини, управляващ блок (Microcontroller) MCU, памет МЕМ и приемопредавател (Transceiver) T/R. При аналогови сензори между тях и MCU има аналоговоцифров преобразувател ADC, което води до обобщената блокова схема на WS на фиг. 2. Разредността на ADC е между 10 и 24. Цифровите сигнали от изхода му постъпват в MCU и той ги записва в МЕМ. Те се извличат от нея през определени интервали от време и чрез T/R се излъчват от антената. По обратен път става приемането на данни от радиоканала. Част от МЕМ се използва за записване на цялата програма за работа на WS. Захранващият източник В може да е литиева батерия. Сравнително по-редки са случаите на използване на слънчеви батерии, ветрогенератори, термоелектрически елементи и виброгенератори. Последните са особено переспективни при контрол на работата на машини, вентилационни системи и климатици, в автомобили, кораби и самолети. За преобразуване на механичната енергия на вибрациите в електрическа се използва пиезокристал и токоизправител със суперкондензатор, осигуряващ работата на WS при намаляване или спиране на вибрациите. Подобен виброгенератор на Ferro Solutions с диаметър и дължина по 45 mm осигурява мощност 9,3 mW при вибрации с честота 28 Hz и ускорение 0,1g. Мощността нараства линейно с увеличаване на честотата и експоненциално с ускорението. На фиг. 3 е показан външният вид на WS за измерване на три величини с вграден вибропреобразувател.

За успешното свързване в WSN е необходимо WS да имат малка постояннотокова консумация, за която на първо място е необходимо използването на подходящи интегрални схеми (ИС) в блоковете. Някои фирми вече предлагат специализирани микроконтролери (напр. MSP430 на Texas Instruments) и приемопредаватели (AT86RF21 и AT86RF211S на Atmel). Освен това WS се включва периодично само за кратко време, за да проведе измерването и запомни данните в паметта си, както и за излъчването им. През останалото време той е в режим "очакване" (Sleep Mode), където консумира нищожен ток. Необходимо е времето на включване при получаване на повикване да не надхвърля няколко ms.

Параметрите на WS включват тези на самия сензор, на приемопредавателя и на управляващия блок. За приемопредавателя се дава честотният обхват, който е един или няколко от обхватите ISM, където не се изисква лиценз. Освен възприетият в цял свят обхват 2,4 GHz, в Европа се използва обхватът 868 MHz, в САЩ 915 MHz и в Азия 433 MHz. Сравнително по-малко е приложението на обхвата 315 MHz. Усилено се работи по създаване на ИС и устройства за обхвата 5,8 GHz. При избора на обхват за определено приложение трябва да се има предвид, че работата на по-ниски честоти е подходяща за помещения с големи подвижни и неподвижни обекти (машини, резервоари, транспортни средства и ленти), както и при наличие на замърсявания във въздуха. Същевременно използването на по-високочестотните обхвати означава отдалечаване от индустриалните смущения, възможност за работа с по-малка излъчвана мощност и по-малка постояннотокова консумация. За скоростта на предаване на данните (Data Rate) по радиоканала освен kbps се използва и еквивалентната й мерна единица kbaud. Предавателят се характеризира още с излъчена мощност (RF Power), приемникът – с чувствителността си. За обхвата на радиовръзка обикновено се дават две стойности – в открито пространство (Line Of Sight, LOS или Line of Sight Outdoors, LSO) и в затворени помещения (Indoors), като последният е 3-5 пъти по-малък. Три са стойностите на постояннотоковата консумация – в режим на предаване при максимална излъчвана мощност с индекс ТХ, в режим на приемане с индекс RX и в режим "очакване".

Групата параметри на MCU са класически, например обемът на паметта за запомняне на данните заедно с максималния брой запомняни измервания и видът на серийния интерфейс за връзка с проводникова мрежа. Съществен параметър е структурата на WSN (Network Topology), в които WS могат да се свързват. За приложенията са важни размерите и теглото на WS.

Съществуват два основни начина на работа на WS. Първият е периодичното измерване (Periodic Sampling), което се прави през определени интервали от време, например контролиране на температурата или налягането в някакъв технологичен процес. Интервалите могат да са в твърде широки граници и дори да се променят по време на процеса. Поради това в съвременните WS е възможно програмирането им по радиоканала. Вторият начин е прагово измерване (Event-Driven), което се прави само когато контролираната величина премине определена стойност. Типични примери са WS в алармени системи. В зависимост от местоположението на сензора съществуват две групи WS. Първата, сравнително по-малобройна, са WS с вграден сензор, като най-често измерваната величина е температурата.

Някои фирми вече предлагат на пазара специализирани ИС за т.нар. интелигентни сензори. Част от ИС са блокове ADC, MCU и МЕМ на фиг. 2, а чрез прибавяне на аналогов сензор и приемопредавател може да се реализира WS. Пример е ADuC834 на Analog Devices, която заедно с платинов резистор RTD и приемопредавател (фиг. 4) образува WS за измерване на температура в обхвата от -55 до +85°С с обща постояннотокова консумация 21




Top