Мілих М.М., Сніжко Є.М., Черевко Ю.А.

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ТА ЗБИРАННЯ ІНФОРМАЦІЇ

З ВИКОРИСТАННЯМ БЕЗПРОВОДОВИХ МЕРЕЖ ZIGBEE

При створенні сучасних систем промислової телеметрії, розподілених систем збору медичної діагностичної інформації, систем автоматизації будинків та інших подібних систем актуальним залишається питання передачі даних на невеликі відстані. Розв’язання цієї задачі дає можливість розробляти розподілені системи, в яких джерела інформації віддалені від центрів обробки, а аналого-цифрові перетворювачі розміщуються якомога ближче до датчиків та передають сигнали у центр обробки через спеціальні інтерфейси та проводові, оптичні або безпроводові лінії зв’язку.

Основна особливість технології безпроводової мережі за стандартом ІЕЕЕ 802.15.4 (ZigBee) полягає в тому, що вона при відносно невисокому енергоспоживанні підтримує не лише прості топології безпроводового зв'язку ("точка-точка" і "зірка"), але і складні безпроводові мережі з комірчастою топологією із ретрансляцією та маршрутизацією повідомлень.

На основі детального аналізу технічних параметрів систем стандарту ZigBee, основних топологій мереж, методів модуляції сигналів та порівняльного аналізу мікроелектронної елементної бази провідних світових виробників пристроїв М2М (Machine-To-Machine Communication) для систем за цим стандартом у роботі розроблені структурна та електрична схеми приймача–пере-давача елементу зіркоподібної топології, для якого вибрана сучасна високоінтегрована елементна база фірми Microchip: модуль MRF24J40MA з частотою 2,4ГГц та мікроконтролер PIC18F4620.

Перший етап розробки представлений структурною схемою (рис.1). На базі структурної схеми у середовищі P-CAD розроблена електрична схема пристрою з подальшим створенням макету. Інсталяція і конфігурація модемів проведена за допомогою Zena – програмного забезпечення, яке містить інструменти для створення конфігурації і скрипта лінкера залежно від вимог призначеного користувачем застосування. Версія програми Zena є частиною стека протоколів ZigBee і MiWi та дозволяє створювати вихідні коди програми під конкретне завдання і аналізувати заздалегідь записаний мережевий трафік.

RS-порт

Рис.1. Структурна схема модуля

На основі діаграми направленості антени модуля MRF24J40MA (рис.2) проведена оцінка довжини радіолінії модуля.

Рис.2. Діаграма направленості антени модуля MRF24J40MA у 2D зображенні

Довжина радіолінії, що з’єднує приймач та передавач ZigBee, як і для інших радіосистем, визначається такими параметрами: потужністю передавача P_t (мВт), чутливістю приймача P_r (мВт), коефіцієнтом направленої дії антен передавача G_t та приймача G_r, довжиною хвилі радіосигналу λ. У роботі проведені розрахунки довжини лінії залежно від взаємного розташування приймачів–передавачів.

Основне рівняння, яке визначає передавання енергії між двома антенами залежно від довжини радіолінії R, має вигляд

P_r/P_t = λ² G_t G_r / 16π² R² .

Оскільки параметри задаються у децибелах, то після логарифмування:

10lg(P_r /1мВт) –10lg(P_t /1мВт) = 10lg(λ²/ R²) + 10lg(1/16π²) + 10lg(G_t ) + 10lg(G_r ).

Після перевизначення P_r , P_t , G_t , G_r у логарифмічних одиницях

P_r - P_t = 10 lg(λ²/ R² ) + 10 lg(1/16π² ) + G_t + G_r ,

20 lg(λ/R) = P_r - P_t - 20 lg(1/ 4π) - G_t - G_{r ,}

20 lg(λ/R) = P_r - P_t - G_t - G_r + 20 lg (4π) = K ,

R = λ ·10^–(K/20) .

Частота для приймача–передавача складає f₀ = 2,4 ГГц, тоді довжина хвилі

λ = с/ f₀ = 3·10⁸ / (2,4·10⁹) = 0,125 (м)

Для приймача–передавача MRF24J40MA: P_t = 0 дБм, P_r = -95 дБм.

Якщо припустити G_t = G_r = 0, то отримаємо (– К /20) ≈ 3,65, тоді R = 558 м.

Повне підсилення в залежності від кута розташування приймальної антени відносно антени передавача змінюється від 2,1 дБ до –29,5 дБ. При оптимальному розташуванні антен приймача та передавача можна прийняти G_r = G_t =2,1 дБ.

У таблиці неведенні значення R залежно від кута відносно антени передавача з відповідними значеннями G_r. З розрахунків видно, що максимальна дальність антени досягається під кутом 130⁰.

Кут на діаграмі направленості	Gr, дБ	R, м
130^0	2,1	906
120^0	-5,8	365
110^0	-15,7	116

Результати роботи можуть бути застосовані при розробці пристроїв ZigBee, у тому числі для перспективних енергетичних систем.