В статье проанализирован вариант применения беспроводной связи в системах мониторинга состояния физических полей, приведены результаты лабораторных и полевых испытаний трансивера SX1272 семейства LoRa компании Semtech, проведённых инженерами Московского научно-исследовательского телевизионного института (МНИТИ).
ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть кризисных ситуаций связана с деятельностью объектов повышенной опасности, которые подвержены как естественным (стихийные бедствия), так и антропогенным угрозам (диверсии, террористические акты, ошибочные действия персонала и др.). Объектами повышенной опасности могут являться трубопроводы, мосты, портовые сооружения, хранилища запасов топлива и химических веществ, высотные здания, подземные сооружения и пр. Возникновение кризисных ситуаций может приводить к человеческим жертвам и сопровождаться огромными финансовыми потерями.
Оперативный контроль состояния объектов повышенной опасности выполняют системы мониторинга состояния физических полей, задачей которых является своевременное информирование о деформациях, сдвигах, вибрациях контролируемых элементов, изменении параметров магнитного поля, акустических колебаний в контролируемой зоне. Оконечными устройствами систем являются датчики физических полей. Разнообразие и невысокая стоимость датчиков позволяет формировать системы для мониторинга различных объектов и охраны территорий.
Наиважнейшим условием качественной работы систем мониторинга является правильное расположение датчиков физических полей. При установке датчиков определяющим является требование полноты записи состояния физических полей, поэтому выбор места установки осуществляется вне зависимости от условий размещения. Сбор информации от датчиков может осуществляться при кабельном или беспроводном подключении считывающих устройств. При этом использование радиосвязи для передачи информации является предпочтительным, так как сокращается время, а соответственно и стоимость монтажных работ, повышается надежность системы.
Основным эксплуатационным требованием, вытекающим из условий качественной работы системы, является отсутствие ограничений по расположению датчиков, определяемых условиями радиосвязи. Приемопередатчик, входящий в состав отдельного (автономного) устройства системы должен обеспечивать устойчивую связь в условиях отсутствия прямой видимости между антеннами, в том числе при размещении на уровне земли. Данное условие накладывает повышенные требования к характеристикам чувствительности, избирательности приемника. Поэтому применяемые средства радиосвязи должны быть построены на основе энергетически эффективных сигналов. Активное распространение систем мониторинга на объектах повышенной опасности возможно при выполнении эксплуатационных требований.
Использование для радиосвязи ISM-диапазонов является дополнительным фактором распространения систем на территории Российской Федерации. Наилучшие характеристики радиосвязи для рассматриваемых условий получены в субгигагерцовом ISM-диапазоне.
ПРИЁМОПЕРЕДАТЧИК SX1272 КОМПАНИИ SEMTECH
На рынке электронных компонентов широко представлен сегмент трансиверов субгигагерцового ISM-диапазона для построения радиочастотных модулей приемопередатчика. Применительно к использованию в средствах радиосвязи систем мониторинга следует особо выделить радиотрансиверы линейки «LoRa» компании Semtech. «LoRa» (LongRange) - запатентованный способ модуляции, представляющий собой комбинацию линейной частотной манипуляции (ЛЧМ) и наложенной псевдослучайной М-последовательности, длина которой может изменяться от 6 до 12 (для трансивера SX1272). Структура ЛЧМ сигнала описана в патенте US 8,406,275 B от 26.03.2013 [1]. Данные решения позволяют достигнуть относительно хороших показателей дальности и надежности радиоканала связи.
Рассмотрим особенности приёмопередатчика SX1272, работающего в безлицензионном ISM-диапазоне 868 МГц [2].
Трансивер SX1272 содержит в общем виде ряд основных узлов (рис. 1):
• приёмопередающий радиотракт;
• многофункциональный модулятор-демодулятор;
• интерфейс ввода-вывода с буферной памятью;
• устройство управления;
• подсистему питания.
Этот перечень характерен для большинства однокристальных приёмопередатчиков ISM-диапазона.
Радиоприемный тракт реализован по схеме с однократным квадратурным преобразованием на низкую промежуточную частоту. Такая схема получила наибольшее распространение в современных однокристальных решениях, поскольку позволяет реализовать лучшие характеристики радиоприемного устройства в части чувствительности и избирательности по соседнему каналу по сравнению со схемой прямого преобразования. В качестве гетеродина радиоприемного устройства используется синтезатор частоты (СЧ) с дробным коэффициентом деления. Применение дробного СЧ по сравнению с целочисленным позволяет достичь низких значений уровня фазовых шумов и малый шаг перестройки частоты при высокой скорости перестройки. Платой за это является более высокий уровень дискретных внеполосных составляющих в спектре формируемого сигнала, что вполне допустимо для маломощных радиопередающих устройств. Квадратурные сигналы промежуточной частоты усиливаются в тракте промежуточной частоты и поступают на аналого-цифровые преобразователи. Дальнейшая обработка (фильтрация, демодуляция и т.д.) осуществляется в цифровой форме.
Подавление зеркального канала осуществляется за счет квадратурного преобразования.
Приёмопередатчик SX1272 поддерживает следующие виды модуляции: FSK, GFSK, MSK, GMSK, OOK и LoRa.
Основные технические характеристики радиоприёмного устройства представлены ниже.
1. Чувствительность в режиме FSK, полоса 5 кГц, скорость передачи информации 1,2 кБит/сек, не хуже: - 123 дБм;
2. Чувствительность в режиме ООK, скорость передачи информации 4,8 кБит/сек, не хуже: - 117 дБм;
3. Избирательность по соседнему каналу, не хуже: - 50дБ;
4. Динамический диапазон по блокированию при отстройке на 1 МГц, не хуже: - 73 дБ;
5. Интермодуляционные искажения 3-го порядка, не менее: - 12,5 дБм;
6. Подавление зеркального канала, не менее: - 48 дБ.
Энергопотребление в режиме приема не превышает 13 мА при напряжении питания 3,3 В. Это выгодно отличает SX1272 от аналогичных решений других производителей.
В данном кристалле реализован достаточно большой динамический диапазон при относительно низком энергопотреблении радиоприемника. В приемопередатчиках сравнимый динамический диапазон достигается при большем энергопотреблении (например, 18 мА у Si4464 компании SiliconLabs). Сравнимые по энергопотреблению решения имеют существенно меньший динамический диапазон (приемопередатчики семейства SPIRIT компании STM). Следует отметить, что динамический диапазон особенно важен в условиях воздействия случайных или преднамеренных помех.
В радиопередающем тракте сигнал гетеродина модулируется с помощью цифрового модулятора, после чего усиливается. SX1272 содержит два канала усиления, один из которых обеспечивает работу в номинальном режиме с выходной мощностью до 20 мВт (+13 дБм), второй позволяет обеспечить выходную мощность 100 мВт (+20 дБм).
ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ МОДУЛЯЦИИ LoRa
Главной отличительной чертой SX1272 является возможность использования модуляции LoRa. Данная схема модуляции предполагает использование технологии расширения спектра и является собственной запатентованной разработкой Semtech Corporation. Поскольку производитель не раскрывает каких-либо подробностей относительно данной технологии, было проведено исследование, направленное на выявление ее особенностей с помощью модулей отладочного комплекта SX1272RF1BAS (SX1272 Evaluation Module 868MHz-version + antenna).
На рисунках 2 и 3 представлены осциллограммы продетектированного с помощью широкополосного частотного детектора сигнала LoRa с характеристиками:
• SpreadingfactorSF=12 (коэффициент расширения, показывающий длину М-последовательности);
• скорость кодирования 4/5;
• полоса сигнала 125 кГц.
Представленные осциллограммы подтверждают использование линейной частотной модуляции для расширения спектра. Такое решение, в отличие от технологии прямого расширения спектра, делает приемник устойчивым к отклонениям частоты от номинального значения.
ЛЧМ также используется в решениях фирмы Nanotron - NanoLOC и NanoNET. Однако используемая Nanotron технология позволяет обеспечить более высокие скорости передачи (до 2 Мбит/с) и требует полосы частот более 20 МГц. В связи с этим данные приемопередатчики функционируют в ISM-диапазоне 2,4 ГГц.
Применение модуляции LoRa позволяет достичь более высокой чувствительности радиоприемника по сравнению с классическими видами модуляции. Ниже приведены значения чувствительности радиоприемника при разных значениях полосы сигнала и коэффициента расширения:
• Полоса частот 500 кГц, SF=6, скорость кодирования 4/5: - 116 дБм;
• Полоса частот 250 кГц, SF=6, скорость кодирования 4/5: - 119 дБм;
• Полоса частот 125 кГц, SF=6, скорость кодирования 4/5: - 122 дБм;
• Полоса частот 125 кГц, SF=12, скорость кодирования 4/5: - 137 дБм.
Как следует из представленных данных, выигрыш от применения LoRa достигает 8 дБ по сравнению с FSK при одинаковой скорости передачи данных. Данный выигрыш может быть обусловлен, как особенностями применяемой схемы модуляции, так и подавлением внутрикристальных помех, обусловленным сжатием спектра.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ SX1272 В РЕЖИМЕ МОДУЛЯЦИИ LoRa
Для проверки заявленных производителем характеристик была произведена оценка чувствительности радиоприемника SX1272, работающего в режиме LoRa. Схема измерения представлена на рисунке 4.
В качестве формирователя сигналов использовался приемопередатчик (ПРД) SX1272 из состава отладочного комплекта, работающий в режиме передачи. Для проведения данного эксперимента передатчик работал на минимальной мощности, которая составила PПРД=4 дБм. Сигнал с передатчика подавался на приемник (ПРМ) через линию связи (ЛС1 и ЛС2) и переменный аттенюатор АТТ. При этом были приняты меры по экранированию передатчика, для минимизации его излучения и исключения возможности связи с приемником по эфиру. Качество связи анализировалось встроенным программным обеспечением (ПО) из состава отладочного комплекта, а чувствительность оценивалась, как уровень сигнала, при котором относительное число пакетных ошибок (PER) не превышает 0,1 (10%). Уровень сигнала на входе ПРМ определялся в соответствии с выражением:
, где
Psens (дБм) - мощность сигнала на входе радиоприемника;
Pпрд (дБм) - выходная мощность тестового передатчика;
L (дБ) - затухание в линии связи с учетом переменного аттенюатора.
Результаты измерений представлены в таблице 1.
Как следует из таблицы 1, оценочные значения чувствительности радиоприемника SX1272 соответствуют заявленным, а отличия можно объяснить различием методик измерения чувствительности, а также погрешностями измерений мощности тестового передатчика и затухания в линии связи.
Помимо повышения чувствительности, применение технологии расширения спектра позволяет повысить помехозащищенность системы радиосвязи. Помехозащищенность приёмника SX1272 оценивалась при полосе сигнала 125 кГц и коэффициенте расширения SF=12. Схема измерений представлена на рисунке 5.
ПРД SX1272 формировал тестовые пакеты. Через линию связи и переменный аттенюатор АТТ сигнал подавался на вход сумматора С. На второй вход сумматора подавался сигнал с высокочастотного генератора Г, настроенного на центральную частоту ПРД (868 МГц). К выходу сумматора подключался приемопередатчик SX1272, работающий в режиме приема (ПРМ). С помощью переменного аттенюатора был установлен уровень сигнала на входе ПРМ, превышающий на 3 дБ измеренную чувствительность приемника (минус 132 дБм). С генератора Г на вход приемника подавался немодулированный сигнал, имитирующий помеху. Уровень помехового сигнала увеличивался, и при этом контролировалось качество приема ПРМ с помощью встроенного программного обеспечения. Уровень помехового сигнала, при котором PER составляло 0,1 (10%) фиксировался. Измерения показали, что в этих условиях помеховый сигнал на 25 дБ превышает полезный. Таким образом, демодулятор LoRa при SF=12 обеспечивает помехозащищенность 25 дБ по отношению к узкополосной помехе.
Следует также отметить, что технология расширения спектра позволяет обеспечить работу на частотах с высоким уровнем шума (помех). Так, например, при использовании коэффициента расширения SF=12 демодулятор LoRa может работать при соотношении сигнал/шум на входе радиоприемного тракта равным минус 20 дБ.
ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТРАНСИВЕРА SX1272
Оценка дальности связи была проведена в процессе полевых испытаний в Измайловском лесопарке города Москвы. Модули отладочного комплекта были подключены к ПЭВМ (№1 и №2 соответственно). Управление модулямии запись показаний состояния приемника (модуля №2) осуществлялосьc помощью встроенных средств ПО «SX1272 StarterKitA».
В точке 1 (рисунок 6) на уровне земли был установлен модуль №1 комплекта, трансивер которого использовался в качестве стационарного передатчика, антенна располагалась перпендикулярно поверхности земли (рисунок 7).
Модуль №2 комплекта использовался в качестве приемника и перемещался в направлении, указанном стрелкой на рисунке 6. Все точки регистрации параметров принимаемых пакетов (на отметках 100 – 700 метров от точки 1 с шагом 25 метров) располагались на одной прямой линии, вдоль пешеходной дорожки (рисунок 8). Оценка дальности осуществлялась в направлении прямой видимости между антеннами передатчика и приемника при наличии препятствий: стволы деревьев, кустарники. Состояние флоры – осенний лес (листвы на ветках практически нет, поверхность земли покрыта опавшей листвой, почва – умеренно сырая).
Основным параметром для оценки дальности связи является значение уровня принимаемого сигнала, рассчитанное ПО «SX1272 Starter Kit A» по каждому принятому пакету.
Эксперименты проводились на рабочей частоте 868,95 МГц при значении выходной мощности передатчика модуля №1 равной 14 дБм (предельно разрешенный уровень для нелицензируемого ISM-диапазона частот 868,7 - 869,2 МГц в РФ). Зависимости значений уровня принимаемого сигнала (U, дБм) от расстояния между передатчиком и приемником (l, м) в режиме связи «земля-земля» приведены на рисунке 8. Показаны три зависимости для различных вариантов полосы спектра радиосигнала LoRa, коэффициент расширения SF=7, скорость кодирования 4/5. При этом величина уровня принимаемого сигнала является средним арифметическим 50 значенийв точке измерения на отметке с устойчивым приемом(не более 2% неверно принятых пакетов). Уровень А - пороговый уровень устойчивого приема.
Полученные данные свидетельствуют о достижении следующих результатов дальности связи: 300 м (полоса 125 кГц), 275 м (полоса 250 кГц) и 250 м (полоса 500 кГц). При расширении спектра радиосигнала имеет место снижение дальности связи. В случае размещения приемникана высоте 1,5 метра от поверхности земли дальность связи существенно увеличивается. Полученные значения уровня принимаемого сигнала подтверждают заявленные параметры микросхемы. Сложная форма зависимостей объясняется особенностями рельефа трассы.
При увеличении коэффициента расширения, одновременном снижении скорости передачи дальность связи увеличивается. Для SF9, 125 кГц, 4/5 в режиме «земля-земля» дальность связи составляет 325 м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные лабораторные и полевые испытания трансивера SX1272 позволяют сделать следующие выводы:
1. Применение модуляции LoRa позволяет достичь высоких значений чувствительности приемника и помехозащищенности радиолинии.
2. Высокая чувствительность позволяет организовать низкоскоростную радиосвязь в сложных условиях распространения радиоволн, таких как плотная городская застройка, лесной массив, горная и сильно пересеченная местность. Использование технологии LoRa обеспечивает надежную передачу данных при воздействии случайных и преднамеренных помех.
3. Сравнительно низкое энергопотребление приемопередатчика SX1272, широкие диапазоны питающего напряжения и рабочих температур позволяют реализовать эксплуатационные требования, обеспечивают длительное время автономной работы от источника питания.
4. Совокупность достоинств ИС SX1272 из линейки «LoRa» компании Semtech позволяет использовать ее для построения высокоэффективных средств сбора информации с датчиков в системах мониторинга состояния физических полей.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.patentbuddy.com/pdfdownload?type=pdf&patentNo=840627
2. http://www.semtech.com/apps/filedown/down.php?file=sx1272.pdf
