Из-за растущей возможности подключения мобильных устройств, технических приложений, приложений для умного дома и транспортных средств, важность беспроводной технологии для передачи данных постоянно возрастает.
В результате беспроводные технологии в 2018 году выросли на 32 процента по сравнению с предыдущим годом, и на их долю приходится 6 процентов всего рынка промышленных сетей. Практически каждое инновационное и интеллектуальное приложение извлекает выгоду из беспроводной технологии, которая постоянно совершенствуется и оптимизируется. Некоторые компании используют эту возможность для разработки интеллектуальных датчиков и энергоэффективных исполнительных механизмов. Одним из примеров является Energy Harvesting Switch (EHS) от ZF. Помимо электронных и механических компонентов предлагается также программное обеспечение с различными радиопротоколами, которые обеспечивают обмен данными между устройствами. В зависимости от применения, на рынке появились различные радиопротоколы, которые имеют разные характеристики и, следовательно, свои преимущества и недостатки. В рамках этой статьи будут продемонстрированы наиболее важные параметры конструкции и их корреляции на примере энергетического самодостаточного беспроводного коммутатора ZF.
Дальность передачи данных
Передача данных на большие расстояния происходит через LTE, а в будущем - через технологию 5G. Благодаря своей большой дальности от 1 до 10 километров и высокой скорости передачи данных от 100 000 кбит/с (LTE) до 2 000 000 кбит/с (5G) эта беспроводная технология находит широкий спектр применений. К ним относятся связь между транспортными средствами, транспортные системы без водителя, работа с беспилотниками, автономное вождение и виртуальная/дополненная реальность. Преимущество этой беспроводной технологии заключается в том, что большие объемы данных могут передаваться на большие расстояния.
Многоузловые сети имеют меньший диапазон расстояний по сравнению с 5G: около 10 метров в здании и до 500 метров на открытом воздухе. Скорость передачи данных также намного ниже - от 0,5 до 100 кбит/с. Однако, в отличие от LTE или 5G, плата за перевод не взимается, и, кроме того, потребление энергии значительно ниже. Поэтому многоузловые сети используются в основном в области умного дома для управления зданием, управления освещением и мониторинга. Важной особенностью многоузловых сетей является их децентрализованная архитектура. Посредством объединения датчиков и исполнительных механизмов существует множество путей связи, существующих для передачи информации от источника к сопряженному оконечному устройству. Эта технология улучшает не только дальность передачи, но и надежность передачи.
Energy Harvesting Switch – элегантное решение для автоматизации зданий
Энергетически автономный (без батареи) и беспроводной коммутатор ZF является альтернативой для запуска действий в беспроводной инфраструктуре многоузловой сети, а также для связи «точка-точка». В этом приложении технология сбора энергии коммутатора является экстраординарной. Достаточно только механического нажатия кнопки, чтобы послать надежный и избыточный радиосигнал. Этот сигнал содержит всю необходимую информацию, необходимую для связи между подключенными устройствами. Для передачи данных на рынке преобладали различные типы протоколов. Наиболее популярными и известными являются W-LAN, WIFI и Bluetooth, а также ZigBee, KNX RF, EnOcean и Z-Wave. Причиной такого разнообразия протоколов является то, что каждый из них обладает разными свойствами. В зависимости от приложения и конечного устройства, различные протоколы с их конкретными характеристиками являются более или менее подходящими. Переключатель сбора энергии (EHS) ZF может использоваться повсеместно. Он уже поддерживает хорошо известные стандарты протоколов, такие как KNX RF, Bluetooth, EnOcean и ZigBee.
Пока что ZF EHS также является единственным беспроводным коммутатором, который может отправлять радиограмму KNX RF несколько раз с резервированием (>7) без батареи или внешнего источника питания. Для этого ZF использует микрочип. Чип лучше всего подходит для этого применения из-за очень низкого энергопотребления. Таким образом, коммутатор можно легко интегрировать практически в любую систему - будь то умный дом, технические приложения или в области микро-мобильности / электронных велосипедов.
Функциональность и конструктивные параметры ZF Energy Harvesting Switch
Каждый стандартный протокол основан на фиксированной полосе частот, которая поддерживает обмен и передачу информации. Каждый регион имеет свои собственные разрешения, включая информацию о том, какие диапазоны частот могут использоваться, и каждая страна имеет свой предпочтительный радиопротокол. Это зависит от отраслевого сектора и его специфических требований относительно того, какой тип протокола может использоваться, поскольку каждый из них имеет определенные характеристики. Например, в области автоматизации зданий KNX RF с частотой 868 МГц утвердился в Европе благодаря очень хорошему проникновению через стены и препятствия.
Определенная частота влияет не только на количество энергии, необходимой для отправки телеграмм, но также на радиус действия и конструкцию антенны. Таким образом, выбранный протокол существенно влияет на разработку преобразователя энергии, управление энергией и радиотехнологию EHS.
Поскольку цель заключается в универсальном использовании автономного радиокоммутатора, он должен быть совместим с наиболее важными стандартными протоколами, которые в настоящее время доступны на рынке. Коммутатор должен создавать определенное минимальное количество энергии для отправки соответствующих протоколов маршрутизации.
Протокол сопоставим с языком, который используется различными устройствами в системе в качестве средства связи. Сама информация передается через телеграмму на соответствующем языке. Длина телеграммы отличается от протокола к протоколу. Действует следующее правило: чем длиннее телеграмма, тем больше энергии нужно.
Еще одним параметром является скорость передачи данных (количество битов, передаваемых в секунду), которая определяется типом протокола. Чем выше частота, тем выше скорость передачи данных. Длина телеграммы и скорость передачи данных, в свою очередь, влияют на время передачи данных. Этот параметр указывает требуемое время для отправки телеграммы от отправителя к сопряженному получателю.
Стандартные протоколы
В настоящее время существует множество различных стандартных протоколов. Сектор «умный дом», в частности, представляет собой интересную отрасль, поскольку он постоянно меняется и использует большое количество различных типов протоколов. Многие компании выпускают инновационные продукты и предлагают собственные проприетарные радиопротоколы для привязки клиентов к своим продуктам.
Кроме того, актуальным вопросом является потребление электроэнергии, целью которого является потребление как можно меньшего количества энергии. Эту цель также преследует EHS, который может работать без дополнительного источника энергии. Но, как следствие, его можно применять только в однонаправленной системе связи. Однонаправленный означает, что коммутатор отправляет сигнал только тогда, когда это необходимо, посредством механического приведения в действие, но без возможности принимать сигналы обратно - поэтому он работает как чистый радиопередатчик. Например, беспроводной протокол Z-Wave является двунаправленной технологией беспроводной связи. Передатчик получает каждый раз подтверждение получения от получателя. Это приводит к повышению надежности передачи. В отличие от передатчика требуется постоянный и дополнительный источник питания для обнаружения сигнала.
Выбор подходящих радиопротоколов зависит от требований приложения. Это может быть объем передаваемых данных, безопасность передачи или диапазон расстояний. В следующем разделе представлены стандартные протоколы, совместимые с EHS, поскольку они соответствуют целевым рынкам ZF.
KNX RF
KNX RF - это протокол беспроводной связи, используемый для автоматизации умного дома и здания. Ассоциация KNX имеет более 80 000 партнеров в 190 странах.
Преимущество KNX RF - полная совместимость с известной системой KNX TP (витая пара). Это система шины 29 В, которая обменивается данными от различных датчиков и исполнительных механизмов по кабельным линиям со скоростью более 9600 бит / с.
Bluetooth
В своем первоначальном виде Bluetooth в основном использовался для подключения гарнитур, наушников, громкоговорителей и автомобильных радиоприемников. Он включает в себя передачу непрерывных потоков данных, таких как аудио, музыка или телефония.
Версии Bluetooth, начиная с 4.0, также известны как Bluetooth Low Energy (BLE) – это энергоэффективный вариант Bluetooth, который широко применяется в области здравоохранения, спорта, медицины, бытовой электроники, домашней автоматизации и автомобильной электроники. Большим преимуществом Bluetooth является совместимость с многочисленными устройствами разных компаний и отраслей.
С появлением Bluetooth 5.0 скорость обмена данными удвоилась, диапазон расстояний увеличился в 4 раза, а пропускная способность увеличилась в 8 раз по сравнению с версией 4.0. Другим преимуществом является операция объединения, в которой каждое устройство Bluetooth может пересылать данные от соседних устройств. Кроме того, риск помех сигналов в одном и том же диапазоне частот может быть ограничен интеллектуальными скачками частоты со скоростью до 1600 скачков в секунду на свободных каналах.
EnOcean
Беспроводной протокол EnOcean в основном используется в домашней автоматизации с акцентом на энергонезависимые технологии. В 2012 году он был ратифицирован в качестве международного стандарта ISO/IEC 14543-3-10.
ZigBee
ZigBee - это глобальный стандартный протокол, основанный на технологии многоузловой сети для связи с внутренними устройствами. Применение ZigBee, однако, ограничено. Одна из причин этого заключается в том, что многие устройства, несмотря на сертификацию, не могут работать вместе с устройствами других производителей. Многие производители стараются выделиться среди конкурентов и предлагают собственные проприетарные функции и протоколы. В результате стандарт ZigBee становится более обширным и больше не может полностью поддерживать конечные устройства.
Диапазон расстояний
Диапазон расстояний радиосигнала зависит, с одной стороны, от длины волны, а с другой - от силы сигнала. В общем случае справедливо следующее утверждение с постоянной силой сигнала: чем выше частота, тем ниже диапазон расстояний и наоборот. На открытом воздухе возможный диапазон радиосигналов, основанных на частоте 868 МГц, составляет 300 метров (относится к продуктам ZF). Но есть и радиосигналы, которые могут покрывать гораздо большие расстояния в этом частотном диапазоне. В качестве общего руководства для радиосигналов, основанных на частоте 2,4 ГГц, можно принять диапазон расстояний около 100 метров.
В зданиях сигналы ослабляются препятствиями, поэтому дальность радикально уменьшается. Ухудшение уровня сигнала зависит от материала и толщины препятствий, а также от расположения передатчика и приемного устройства. Например, металл и бетон имеют очень высокое демпфирование, тогда как стекло и дерево имеют низкое демпфирование. Сигнал Bluetooth, который генерируется EHS от ZF с мощностью передачи 0,33 мВт и при 0 дБм, может достигать в пределах здания до 10 метров. В целом, более низкие частоты могут лучше проникать через двери, стены и потолки.
Длина и структура телеграммы
Структура и длина телеграммы определяются стандартным протоколом. Например, длина телеграммы для KNX RF составляет 35 байтов, для ZigBee 21 байта и для EnOcean 14 байтов. Как правило, чем длиннее телеграмма, тем больше энергии требуется для отправки телеграммы.
Скорость передачи данных и время передачи данных
Скорость передачи данных определяется типом протокола. Он указывает, сколько кбит/с передается от отправителя к сопряженному получателю. Как правило, чем выше частотный диапазон, тем выше скорость передачи данных. Особенно в передаче больших объемов данных, таких как услуги потокового аудио, где скорость передачи данных играет значительную роль. Это причина, по которой радиотехнология W-Lan отличается от других в этой области своей огромной скоростью передачи данных.
Прежде всего, время передачи данных играет важную роль для EHS ZF. Эта цифра может быть рассчитана с учетом скорости передачи данных и длины телеграммы. Чем длиннее телеграмма и чем меньше скорость передачи данных, тем больше времени требуется для получения всех данных, отправляемых передатчиком. И наоборот, это означает, что радиопереключатель должен преобразовывать энергию механического приведения в действие в электронном виде, сохранять ее и передавать в дросселированном виде до тех пор, пока сигнал не будет полностью передан. Для обеспечения безопасности передачи одна и та же телеграмма должна передаваться более трех раз.
Заключение
В области автоматизации зданий, умного дома и промышленных приложений существуют различные типы протоколов, которые имеют свои преимущества и недостатки в зависимости от конкретных требований. Таким образом, конкретные требования должны быть определены и определены в качестве первого шага перед установкой беспроводной сети. Свойства протоколов строго определяются частотой, лежащей в основе. Основными требованиями для выбора правильного протокола являются безопасность и надежность передачи, диапазон расстояний и энергоэффективность.
Благодаря инновационным решениям, таким как скачки частоты в перегруженных полосах частот, расширение диапазона с помощью интеллектуальных многоузловых сетей и снижение энергопотребления с помощью автономных беспроводных коммутаторов, производители пытаются непрерывно оптимизировать системы. Дальнейшее развитие радиотехнологии также помогает исследовать новые приложения, например, для обеспечения возможности автономного вождения с 5G в будущем, чтобы сделать системы электронного велосипеда с Bluetooth более интеллектуальными или определять свободные парковочные места с помощью встроенных радиодатчиков.