Радиомодули за индустриални приложения

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2015

Стефан Куцаров

В съответствие с наименованието си радиомодулите (Radio Module) RM се използват за безжични връзки между индустриални устройства, прибори и системи с основни цели обмен на данни, контрол на работата и изграждане на сензорни мрежи. В основата на RM са специализирани интегрални схеми (ИС) на приемо-предаватели, приемници и предаватели (вж. статията „Радиочестотни приемници и предаватели в интегрално изпълнение” в бр. 2/2015 г. на сп. Инженеринг ревю), а най-масовото конструктивно оформление е като част от устройства.

Освен подходяща конструкция за лесното вграждане на модулите важен фактор за бързото пускане в действие на устройствата е все по-развитото програмно осигуряване на RM, поддържано обикновено от микроконтролер и по-рядко от подходящ микропроцесор.

Характерна за RM е постоянната поява на нови модели с все по-голям обхват на установяваните връзки. Напоследък расте приложението и на RM като самостоятелни прибори за свързване към съществуващите битови комуникационни мрежи – на тях е посветен последният раздел на статията.

Приемо-предаватели до 1 GHz
Класическият начин за разширяване на обхвата е чрез по-голяма изходна електрическа мощност (Output Power) PTX на предавателя и, съответно, на излъченото електромагнитно поле (Radiated RF Power) и по-добра чувствителност (Sensitivity) S на приемника, т. е. увеличаване на сумата им (Link Budget), която се използва главно за сравняване на различни RM. Друг фактор за разширяването може да е ползването на подходяща модулация – пример е патентованата технология LoRa, която осигурява до 30 dB по-добро потискане на съседните канали и съответно увеличава S.

Идея за структурата на приемо-предавател е дадена на фиг. 1. Към антенния вход А се свързва външна антена, като в документацията на някои RM се дават препоръки за нейния вид – например за модулите в редове 9 и 10 на табл. 1 има избор между антена от навит проводник (Helial Antenna), дипол (Loop Antenna) и обикновен проводник (Whip Antenna).

Режимът предаване/приемане се избира чрез SW, като връзката между предавателя ТХ (самостоятелна ИС със синтезатор) и неговия управляващ процесор CPUT може да е с някой от масово използваните интерфейси. Входът TXEN освен за включване на ТХ (време между няколко ms и няколко десетки ms), може да се използва и за програмиране на работната му честота, поради което CPUT съдържа EEPROM.

Данните за предаване постъпват на входа DataIn. Важна част на ТХ е неговият изходен филтър FO за осигуряване на съответствие с международните норми за намаляване на смущения върху други устройства и за съгласуване с антената. Една от възможните реализации на приемника RX на фиг. 1 е с отделни малошумящ усилвател (LNA), лентов филтър или филтри (например с повърхнинни вълни, SAW) за определяне на приеманите канали и смесител, а синтезаторът Synt е отделна ИС със собствен процесор CPUR и вход RXEN за включване.

Входният филтър FI е теснолентов, а освен изхода за данни DataOut може да има и нискочестотен AFOut от демодулатора. На изхода RSSI (от Received Signal Strength Indicator) се получава постоянно напрежение (обикновено между няколко десети от V и няколко V), пропорционално на нивото на приетия сигнал в антената. Трябва да се прибави, че наличието на SW означава, че във всеки момент приемо-предавателите могат или да предават, или да приемат, т. е. работят в полудуплексен режим.

Съществена за практиката подробност е осигуряването по програмен път на възможност за работа на част от предавателите (редове 1, 2, 5, 8 и 12 на табл. 1) в различни режими, например непосредствен обмен на данни (Transparent Mode) TrM, т. е. всички приемници в мрежата получават изпращаните данни, да бъдат адресирани (Addressed Mode) AdM, да са повторители (Repeater Mode) RpM с цел увеличаване на обхвата, данните да се предават в пакетен режим (Packet Mode) PcP.

Не по-малко важно е да не се смущава работата на съседни устройства, като обикновено това се осигурява чрез съответствие на модула с определена разновидност на европейския стандарт за електромагнитна съвместимост EN 300-220.

В табл. 1 са дадени основните параметри на приемо-предаватели, като Df е разстоянието между носещите честоти на два съседни канала (Channel Spacing) и с LOS (от Line of Sight) е означен най-големият възможен обхват  при пряка видимост между антените на предавателя и приемника.

Някои модели могат да работят и с вградена антена, при което обхватът им намалява до 10 пъти – например на този в ред 7 е 14 метра в помещения и 112 метра с външна антена. С DR в таблицата е означена скоростта на обмен (Data Rate), консумираните токове ITX и IRX са съответно при предаване и приемане, а ISTB е в режим "очакване" (Standby). В каталозите на RM понякога има препоръки в какви мрежи могат да бъдат свързвани – например за тези в редове 3 и 4 е звезда (Star) S и разпределена архитектура (Peer-to-Peer) Р2Р, а даденият на ред 7 е отново за S и за обект до много обекти (Point-to-Multipoint) P2M.

Типични приложения на приемо-предавателите до 1 GHz са сензорни мрежи, системи за събиране на данни, охранителни системи, управление на производствени процеси, баркод скенери, локални мрежи на измервателни прибори, системи за сградна автоматизация, дистанционно управление на уличното осветление, както и набиращият популярност “Интернет на нещата” (IoT).

Предаватели до 1 GHz
Не са редки практическите случаи на еднопосочно предаване на данни, реализирано чрез отделни предавател (Transmitter) и приемник (Receiver) с добре съгласувани параметри. Поради това често производителите ги предлагат по двойки в общ каталог – примери са тези в редове 1-5 на таблици 2 и 3. По-рядко се предлагат предаватели, които не образуват двойка, но и тогава производителите обикновено отбелязват в документацията им с кои приемници се препоръчва да работят.

Типични приложения на двойките предавател-приемник са алармени, охранителни и пожароизвестителни системи, такива за дистанционно управление (вкл. на индустриални машини, кранове и пропускни системи) телеметрия, автоматизация на производствени процеси (например М2М системи), за следене на придвижването на обекти и хора (Tracking System), контрол на помещения и сгради и др.

Опростената структура на предавател е дадена на фиг. 2, като данните от входа DataIn се преобразуват от IFOsc в междинночестотен сигнал, който постъпва на единия вход на смесителя Mixer. На другия му вход е сигналът от синтезатора Synt, управляван от процесора CPU.

От изхода на смесителя през теснолентовия филтър BPF (обикновено реализиран чрез SAW) и усилвателя на мощност РА сигналът постъпва на изхода за антена А. Изборът на канал е сервизна операция и се извършва при въвеждане на предавателя в експлоатация. Един от начините за осъществяването му е чрез микроключета, например 7 такива са използвани в модела на ред 1 на табл. 2.

Предавателите имат аналогични параметри на приемо-предавателите, както личи от табл. 2 (в нея е прибавен необходимият импеданс Za на антената). Съществена особеност е ползването обикновено само на една модулация, най-често FSK (означавана и като FM) с девиация между няколко стотици Hz и десетина kHz. Това са предавателите в редове 1-5 на таблицата, докато даденият на ред 6 ползва амплитудна модулация АМ. Специфични особености на предавателя от ред 6 са ползването като входни данни на импулси от изходите на CMOS цифрови схеми и корпусът с 4 извода.

Приемници до 1 GHz
Същността на структурата им е подобна на отдавна известната на обикновените радиоприемници с две основни разлики – като местен осцилатор се ползва синтезатор, а вместо нискочестотен усилвател на мощност - компаратор. Освен това част от приемниците са без управляващ CPU. Дадените в редове 1-5 на табл. 3 приемници са части от вече споменатите двойки, докато този на ред 6 може да работи съвместно с предавателите AM-RT4-433 и AM-RT5-433 на същия производител.

Приемо-предаватели над 1 GHz
По технологични причини техният относителен брой е по-малък от този на приемо-предавателите до 1 GHz и реално се използват само за 2,4-гигахерцовия обхват – в някои модели (даденият на ред 3 от табл. 3) изцяло, а в други (редове 1 и 2) той е леко стеснен. Освен това практически не се произвеждат отделни приемници и предаватели.

Значително по-широката честотна лента на обхвата в сравнение с модулите до 1 GHz позволява увеличаването на DR и ползването в редица случаи на специфични начини за формиране на излъчваните сигнали с цел подобряване на някои параметри. В модула от ред 2 се използва непосредствено разширяване на спектъра (Direct Sequence Spread Spectrum) DSSS, чрез което се подобрява отношението сигнал/шум на приеманите сигнали.

Вече намира приложение и познатото от други области на телекомуникациите скокообразно изменение на честотата (Frequency Hopping Spread Spectrum) FHSS, което се прави по псевдослучаен закон. Типични мрежи за свързване на тази категория приемо-предаватели са S и Р2Р, в които може да се използва адресиране и обмен на данните в пакети (например този на ред 1). Предлагат се и модули с улеснения за ползване по избор на вътрешна и външна антена (ред 3).

Характерни приложения на приемо-предавателите над 1 GHz са индустриалните системи за телеуправление и тези за дистанционни измервания.

Wi-Fi модули
Те винаги са приемо-предаватели и се отличават от вече разгледаните по начина на обмен на данните в съответствие с популярния международен стандарт за безжични мрежи, което определя различия в структурата и параметрите им. Скоростта на обмен на данни обикновено е значително по-висока, което изисква ползването на подходящи модулации, а за избягване на смущения върху съседни устройства модулите са в съответствие с определени международни норми, например EN 300 328 и EN 300 440.

Сред често използваните мрежи за връзка отново са S, P2P и Р2М, а с възможност за адресиране са модулите в редове 2-4 и 7 на табл. 5. Съществени особености са принципната възможност за обмен на данни с други устройства от същия стандарт, както и за свързване на мрежа от модули към други мрежи.

Пример за последното е показан на фиг. 3, лявата част (PAN) на която са модули от ред 7 на табл. 5, като PAN е свързана с локална мрежа (LAN), а чрез нея - към широкообхватна мрежа (WAN) от произволен тип. Това позволява на някои производители да определят модулите като подходящи за IPv4/IPv6 комуникации и за IoT.

При ползването на табл. 5 трябва да се има предвид, че скоростите на обмен на данни на даден модул, неговата чувствителност и ITX могат да са различни според варианта на стандарта, с който той работи. За разширяване на приложенията някои модули могат да се монтират върху платки за други проводникови интерфейси, например RS232 и USB.

Особеност на модулите в редове 5 и 6 е възможността за работа с Bluetooth v4.0.
Основните приложения на Wi-Fi модулите са за дистанционен контрол и управление, сензорни мрежи, мрежи за събиране на данни, сървъри, мрежови шлюзове (Gateway) и др.

IQRF модули
В основата им са приемо-предавател и процесор с вградена специализирана операционна система (OS) за осигуряване на тяхната работа в масово разпространените мрежи WMN (от Wireless Mesh Network) чрез използване на съответните MESH Protocol и IQMESH Protocol. Структурата на модулите е показана на фиг. 4 и в нея RF е приемо-предавателят за един или повече от ISM обхватите 433 MHz, 868 MHz и 919 MHz с основна DR=19,2 kbps.

Паметта EEPROM, сензорът за температура на модула, вграденият постояннотоков стабилизатор LDO и индикаторните светодиоди могат да имат различия в зависимост от модела. Също различни са броят на каналите (до 189) и входно-изходните изводи I/О (до 12), а интерфейсите SPI, UART и I2C са за връзка с външни устройства. Чрез OS част от функциите на модулите, например избор на канал и PTX, могат да се програмират чрез езика С.

Типичен набор от модули произвежда Microrisc, един от примерите за какъвто е TR-52D, реализиран с приемо-предавателя MRF49XA на Microchip, подобен на дадения в ред 9 на табл. 1. Модулът е за обхватите 860,48-879,51 MHz и 900,72-929,27 MHz (избирани чрез OS), работи с FSK, има обхват 300 m, РТХ= -10,5 dBmё +7 dBm, S= -110 dBm, и работен температурен обхват -40 °С ё +85 °С при размери 25x14,9x2 mm. С подобни параметри и размери е TR-54D, но той се захранва с 2,2 -3,4 V.

Характерни приложения на модулите са за дистанционен контрол и управление (вкл. събиране на данни), системи за сградна автоматизация, безжични сензорни мрежи, управление на улично осветление.

Специализирани модули
Придобилите голяма популярност комуникационни мрежи за граждански приложения могат да бъдат използвани и за обмен на данни в индустрията, транспорта, енергетиката, охранителните системи и за дистанционно наблюдение на пациенти. Това е причината за създаването и бързото нарастване на популярността на специализираните модули за осъществяване на обмен чрез една или повече от тези мрежи, т.е. извън ISM обхватите.

Поради естеството на приложенията скоростите на обмен обикновено не са големи, което е принципна предпоставка за свързване чрез мрежите на множество разнообразни прибори и апаратури. Друго съществено предимство е ползването на стандартните протоколи на интернет с неговите многобройни услуги и всички новопоявяващи се допълнения вкл. “облачните” връзки.

Основната идея за структурата на специализираните модули е дадена на фиг. 5. Блокът Int с подходящ  куплунг е за връзка с проводникови интерфейси, Proc е процесорът, работещ с паметта Mem (обикновено Flash), и RF съдържа усилвателите за приемане и предаване. Антената може да е с няколко разновидности – например дипол, пръчковидна, както и интегрирана (Chip Antenna).

GSM модули. Освен стандарта GSM те ползват една или повече от неговите разновидности (Air Interface), сред които за мрежи 2G е GPRS (модулът на ред 3 от табл. 6) и за 2,5G е EDGE (модулът на ред 7). Обикновено се предлагат серии от модули, различаващи се главно по честотните обхвати и ползваните интерфейси за проводникови връзки. Към споменатите приложения се прибавят индустриални мобилни компютри (Industry PDA), определяне на местоположението на обекти (Personal Tracking), системи за дистанционни измервания, безжични касови апарати (Wireless POS).

Модули за CDMA2000, UMTS и HSPA+. Стандартът CDMA2000 е предназначен за 3G мрежи и с него работи модулът от ред 1 с три обхвата, който е особено подходящ за преносими прибори поради малката си дебелина. За UMTS и HSPA+ е модулът в ред 4 с допълнителни приложения в рутери, таблети и автомобили. Стандартът HSPA+ е между тези, с които работи модулът на ред 8, а LTE е за 4G мрежи.

Bluetooth модули. Основните им индустриални приложения са за автоматично работещи прибори, дистанционни измервания и POS апарати. Два примера за Bluetooth Class 1 са дадени на редове 5 и 6, като вторият е точка за достъп (Access Point) и се предлага със 7 различни антени, всяка от които определя различен обхват. Свързва се в мрежи Р2М от типа 10/100 Ethernet с най-много 28 възела и има MTBF=30,5 години. Сред специфичните приложения на тези модули са диагностиката и контролер на автомобили.

Радиомодеми
Наименованието им (Radio Modem, RF Data Modem) RMd изяснява тяхната същност за двупосочен безжичен обмен на данни между устройства при спазване на утвърдените принципи в класическите модеми за проводникови връзки. Част от RMd осигуряват обмен между прибори, работещи с някой или някои от проводниковите интерфейси – дадените в редове 1 и 6 на табл. 6 за RS232 и RS485, ред 2 за един от RS232, RS485,  UART или USB, ред 4 за RS232 и ред 5 за RS232, RS422 и RS485.

В тези случаи RMd обикновено е снабден с женски куплунг от съответния интерфейс с цел лесно свързване на прибори, например терминали, дисплеи и програмируеми логически контролери (PLC). Освен тази съществена особеност на RMd в сравнение с радиомодулите те обикновено имат възможност за обмен на значително по-големи разстояния, поради което някои производители ги определят като заместители на кабелните връзки (Cable Replacement, Cable-free Transmission).

В тези случаи RMd работят в споменатия режим TrM, обикновено използван при връзки Р2Р. За връзки Р2М може да се окаже необходим режим AdM, а за увеличаване на разстоянието за обмен съществуват RMd за работа в режим RpM. Друга особеност е наличието на RMd като самостоятелни прибори със собствена кутия (редове 1 и 5), което освен механична здравина е предпоставка за ползване в агресивна работна среда, например с повишено замърсяване, при контрол на тръбопроводи, в транспортни приложения, прибори за армията и  полицията, ядрени централи. Основните параметри на характерни модели са в табл. 6.

Трябва да се има предвид, че даваният обхват обикновено е в сила при най-добрата възможна антена, а производителите предлагат няколко разновидности в зависимост от конкретното приложение. С РоТХ и PoRX са дадени консумираните електрически мощности съответно при предаване и приемане, които понякога се използват вместо ITX и IRX.

Типичните приложения на RMd са в системи за събиране на данни, дистанционно измерване на показанията на уреди, индустриални системи за дистанционно управление (вкл. М2М системи) и за автоматизация, в сензорни мрежи (вкл. във вградени системи), операторски системи (SCADA) за енергетиката, охрана на сгради, системи за контрол на превозни средства (Fleet Management) и др.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top