CC BY
11
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА 2023 Управление, вычислительная техника и информатика № 63
Tomsk: State University Journal of Control and Computer Science
ИНФОРМАТИКА И ПРОГРАММИРОВАНИЕ INFORMATICS AND PROGRAMMING
Научная статья УДК 681.518.3 doi: 10.17223/19988605/63/11
Энергосберегающий асинхронный интерфейс для беспроводных датчиков
Александр Витальевич Вострухин1, Максим Алексеевич Мастепаненко2,
Елена Артуровна Вахтина3
12,3 Ставропольский государственный аграрный университет, Ставрополь, Россия
1 avostrukhin@yandex. ru
2 mma_26@inbox. ru 3 eavakhtina@yandex. ru
Аннотация. Рассматривается метод снижения энергопотребления при передаче данных радиопередатчиком с CОK-модуляцией, основанный на формировании интервала времени, в течение которого генератор несущей частоты радиопередатчика выключен. Предложены алгоритм протокола и программное обеспечение для преобразования двоичного кода передаваемых данных в модулирующий цифровой сигнал. Установлено, что предлагаемое решение позволяет снизить энергопотребление в 5 раз по сравнению с передачей данных с использованием асинхронного приемопередатчика (UART), который также способен работать с передатчиками CОK-модуляции. По скорости передачи данных это решение не уступает UART и поэтому может быть альтернативой для обмена данными между микроконтроллерами, в которых аппаратный UART отсутствует. Определены параметры, необходимые для разработки программного обеспечения передачи данных с использованием CОK-модуляции. Предлагаемый протокол способен повысить длительность непрерывной работы автономных источников питания беспроводных датчиков и может быть применен для построения интерфейсов информационно-управляющих систем с использованием как беспроводных, так и проводных технологий.
Ключевые слова: микроконтроллер; алгоритм; программа; ассемблер; таймер / счетчик; регистр.
Благодарности: Исследования выполнены в рамках программы поддержки развития научных коллективов Ставропольского государственного аграрного университета, реализуемой при финансовой поддержке Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Для цитирования: Вострухин А.В., Мастепаненко М.А., Вахтина Е.А. Энергосберегающий асинхронный интерфейс для беспроводных датчиков // Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2023. № 63. С. 92-102. doi: 10.17223/19988605/63/11
Original article
doi: 10.17223/19988605/63/11
Power-saving asynchronous interface for wireless sensors Aleksandr V. Vostrukhin1, Maksim A. Mastepanenko2, Elena A. Vakhtina3
12, 3 Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russian Federation 1 avostrukhin@yandex. ru
2 mma_26@inbox. ru 3 eavakhtina@yandex.ru
Abstract. A method for reducing power consumption during data transmission by a radio transmitter with OOK modulation, based on the formation of a time interval during which the carrier frequency generator of the radio
© А.В. Вострухин, М.А. Мастепаненко, Е.А. Вахтина, 2023
transmitter is turned off, is considered. A protocol algorithm and software are proposed for converting the binary code of transmitted data into a modulating digital signal. An algorithm and software that implement a method for converting a binary code into a modulating signal are proposed. It has been established that the proposed solution can reduce power consumption by a factor of 5 compared to data transmission using an asynchronous receiver/transmitter (UART), which is also capable of working with OOK transmitters. In terms of data transfer rate, this solution is not inferior to UART and therefore can be an alternative for data exchange between microcontrollers in which the hardware UART is missing. The parameters necessary for the development of software for data transmission using OOK modulation are determined. The proposed protocol is able to increase the duration of continuous operation of autonomous power supplies for wireless sensors and can be used to build interfaces for information and control systems using both wireless and wired technologies.
Keywords: microcontroller; algorithm; program; assembler; timer / counter; register.
Acknowledgments: The research was carried out within the framework of the program to support the development of research teams of Stavropol State Agrarian University, implemented with the financial support of the Strategic Academic Leadership Program "Priority-2030".
For citation: Vostrukhin, A.V., Mastepanenko, M.A., Vakhtina, E.A. (2023) Power-saving asynchronous interface for wireless sensors. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Upravlenie, vychislitelnaja tehnika i informatika -Tomsk State University Journal of Control and Computer Science. 63. pp. 92-102. doi: 10.17223/19988605/63/11
Введение
Беспроводные датчики требуют решения задач по энергосбережению при питании от автономных источников [1], а также по сбору энергии из окружающей среды, поступающей в виде света, вибраций, за счет разности температур [2-4], отбора энергии от линии электропередачи, мониторинг которой они выполняют [5]. В работе [6] предлагается решение по снижению расхода энергии в беспроводных сенсорных сетях (БСС) с цепочечной маршрутизацией на основе протокола PEGASIS. Исследуются такие показатели, как расход энергии и скорость сбора информации. БСС являются основой для построения интернета вещей, проектов типа «умный город» и цифровой экономики в целом. В работе [7] предлагаются модели для исследования энергопотребления БСС. В работе [8] проанализированы протоколы последовательных интерфейсов обмена данными, в том числе на основе асинхронных приемопередатчиков. Энергоэффективность последовательных интерфейсов не рассмотрена.
Наибольший расход энергии беспроводным датчиком приходится на питание радиопередатчиков. Беспроводные датчики работают в основном в нелицензируемых ISM-диапазонах (industrial, scientific and medical - промышленный, научный и медицинский). Для питания большинства радиомодулей требуется источник с постоянным напряжением в пределах от 1,8 до 5,2 В. Показатели потребления энергии, например, трансиверов семейства SX1232 и SX1235 следующие: в режиме приема -9,3 мА, в режиме передачи - 28 мА. В спящем режиме потребляется не более 100 нА [9].
В настоящей работе рассматривается решение, позволяющее снизить потребление энергии при передаче данных в ISM-диапазонах.
1. Метод реализации энергосберегающего интерфейса
Для предлагаемого интерфейса используются радиомодули с амплитудной модуляцией типа OOK (On-OffKeying - Включено-Выключено). Модуляция OOK есть разновидность обычной амплитудной модуляции ASK несущей частоты. При обычной ASK-модуляции генератор несущей частоты не выключается и непрерывно потребляет энергию (рис. 1, c). В процессе OOK-модуляции энергии требуется меньше, так как генератор несущей частоты включается в моменты передачи логической единицы (лог. 1), а при передаче логического нуля (лог. 0) он выключен (рис. 1, d).
Большинство предлагаемых на рынке радиомодулей ISM-диапазонов реализуют не только ASK и OOK, но и другие виды модуляции [9]. Известны радиомодули, реализующие только OOK или OOK/ASK-модуляцию [10, 11].
Передатчик с ООК-модуляцией ТХМ-433^С при передаче лог. 0 потребляет ток 1,5 мкА, при передаче лог. 1 - 6 мА. Максимальная скорость передачи 5 000 бит/с [10].
Передатчик с А8К-модуляцией ТХМ-433-ЬЯ: при передаче лог. 0 генератор несущей частоты работает, при этом передатчик потребляет ток 1,8 мА; при выводе лог. 1 он потребляет ток 5,1 мА. Максимальная скорость передачи 10 000 бит/с [11].
Рис. 1. Амплитудная модуляция: а - информационное сообщение; b - модулирующий цифровой сигнал; c, d - модулированные радиосигналы ASK, ООК Fig. 1. Amplitude modulation: a - informational message; b - modulating digital signal; c, d - modulated radio signals ASK, OOK
Для построения интеллектуальных датчиков используют микроконтроллеры, которые выполняют функции измерительного преобразователя физических величин в двоичный код и управления радиопередатчиком или трансивером. Примеры измерительных преобразователей сопротивления и емкости, построенных на базе микроконтроллеров, приведены в работах [12-15].
Рассмотрим реализацию интерфейса аппаратным способом на примере 8-битного таймера / счетчика, входящего в состав микроконтроллеров семейства AVR. Допустим, аналоговый сигнал, поступающий от измерительной схемы датчика, преобразуется с помощью АЦП, встроенного в микроконтроллер, в цифровой сигнал, представляющий последовательность отсчетов (двоичных кодов). Значение отдельного отсчета цифрового сигнала обозначим через х.
Обнаружение момента совпадения осуществляется с помощью цифрового компаратора (рис. 2). Для преобразования двоичного кода каждого отсчета х в сообщение используем 8-разрядный таймер / счетчик TC0, настроенный на режим «Сброс при совпадении» [16]. В состав таймера / счетчика TC0 входят устройства: мультиплексор, счетный регистр TCNT0, регистры управления TCCR0A и TCCR0B, регистр сравнения OCROA, цифровой компаратор и устройство управления.
Рис. 2. Упрощенная структура 8-разрядного таймера / счетчикаТСО Fig. 2. Simplified structure of ТС0 8-bit Timer / Counter
Мультиплексор позволяет подключить к входу счетного регистра TCNT0 один из сигналов с периодом из диапазона Ti, ..., T5, поступающих на его входы от делителя тактовой частоты микроконтроллера (делитель на рис. 2 не показан). Выбор входа мультиплексора определяется комбинацией разрядов CS00, CS01 и CS02 регистра TCCR0B.
Обозначим период сигнала, выбранного мультиплексором и поступающего на вход счетного регистра TCNT0, через Тх - образцовый интервал передатчика. Tx определяется следующим образом:
Tx = kTcx, (1)
где Tcx = 1/fcx - период тактовых импульсов микроконтроллера передатчика, fcx - частота тактовых импульсов микроконтроллера передатчика, для fa = 4 МГц Tcx = 1/4-106 = 0,25 мкс; k- коэффициент делителя тактовой частоты, для микроконтроллеров AVR k = 1, 8, 64, 256 и 1 024.
Максимальное количество счетных импульсов, которое может быть подсчитано регистром TCNT0, определяется содержимым регистра сравнения OCROA и равно 255. При поступлении на вход регистра TCNT0 256-го счетного импульса он обнуляется и начинает счет с нуля.
Выбор режима работы таймера / счетчика TC0 определяется комбинацией состояний разрядов WGM00, WGM01 и WGM02. Разряды WGM00 и WGM01 размещены в регистре TCCR0A. Разряд WGM02 находится в регистре TCCR0B (на рис. 2 разряд WGM02 не показан). Если задана комбинация WGM00 = 0, WGM01 = 1, WGM02 = 0, выполняется режим «Сброс при совпадении», при котором таймер / счетчик TC0 работает следующем образом.
Счетный регистр TCNT0 ведет счет на суммирование, и его код возрастает с приходом каждого очередного импульса (рис. 3). При совпадении (равенстве) содержимого регистра TCNT0 и регистра OCROA на выходе ОСОА устройства управления формируется логический уровень, определяемый комбинацией разрядов COM0A0 и C0M0A1. При комбинации C0M0A1 = 0, C0M0A0 = 1 состояние выхода ОСОА меняется на противоположное (рис. 3).
Рис. 3. Временная диаграмма сигнала на выходе ОСОА таймера / счетчика TC0 в зависимости от содержимого xi > Х2 > хз > s регистра сравнения OCROA при комбинации разрядов COMOAl = 0, COM0A0 = 1 регистра управления TCCR0A Fig. 3. The timing diagram of the signal at the output OC0Aof the TC0 timer/counter, depending on the contents xi > X2 > хз > s of the 0CR0A comparison register, when setting bits C0M0A1 = 0, C0M0A0 = 1 in the TCCR0A control register
На выходе OCOA таймера / счетчика ТС0 формируется сигнал, длительность высокого уровня которого определяется выражением
ts = Tx + sTx = (1 + s)Tx, (2)
где s - константа (целое число), в передающем устройстве константа s может изменяться в зависимости, например, от номера датчика, от которого передаются данные. Приемное устройство по значению константы s определяет номер датчика, от которого приняты данные.
Длительность низкого уровня сигнала, формируемого на выходе OCOA таймера / счетчика ТС0, определяется выражением
tx = Tx + xTx = (1 + x)Tx, (3)
Условимся считать интервал ts - разделительным интервалом, интервал tx - интервалом данных. Время, необходимое для передачи одного сообщения, определяется выражением
Tм = ts + tх. (4)
Для случая, когда x = 0 и s = 0, на выходе OCOA будет сформирован меандр с периодом Tm = 2TX. В приемном устройстве осуществляется измерение микроконтроллером интервалов ts и tx. Результат измерения tx обозначим через ty. Для случая, когда образцовый интервал Tx передатчика равен образцовому интервалу Ty приемника, двоичный код принятых данных определяется выражением:
y = (ty - Ty)/Ty. (5)
Если образцовые интервалы передатчика и приемника неравны, то выражение (5) принимает вид:
у = Цу - Ту)1Ту(ТЛу) = Цу - ТУ)ЦХ. (6)
Отношение Тх/Ту - целое число. Это условие соблюдается, когда отношение/су//сх - также целое число, где /су - тактовая частота микроконтроллера приемника, при условии, что коэффициенты делителей тактовой частоты передатчика и приемника равны.
2. Экспериментальные исследования
Для проведения экспериментальных исследований разработан стенд (рис. 4), который содержит: микроконтроллерные устройства MCU1, ..., MCU4, построенные на микроконтроллере ATmega328P; компьютер (РС); двухканальный USB-осциллограф (DSO-290 USB); прибор MHS-5200A для измерения длительности временных интервалов или их генерирования; радиопередатчик (Transmitter) и радиоприемник (Receiver).
В качестве MCU1 и MCU2 использованы отладочные платы STK500. Микроконтроллерное устройство MCU1 предназначено для формирования передаваемых сообщений через вывод PD6, являющийся выходом ОСОА. Формируемые в MCU1 сообщения поступают на вход DATA радиопередатчика (Transmitter). MCU2 предназначено для тестирования формируемых в MCU1 сообщений, которые принимаются на вход INTO микроконтроллера. MCU1 и MCU2 работают под управлением программ, разработанных на языке Ассемблер в интегрированной среде разработки (IDE) AVR Studio 4.19. Частоты тактовых генераторов микроконтроллеров MCU1 и MCU2 равны 4 МГц.
Рис. 4. Функциональная схема стенда для экспериментальных исследований энергосберегающего асинхронного интерфейса Fig. 4. Functional scheme of the stand for experimental studies of the energy-saving asynchronous interface
В качестве MCU3 и MCU4 использованы платы Arduino Uno. Платформа Arduino широко используется в научных исследованиях и в учебном процессе [17-18]. MCU3 предназначено для контроля формируемых в MCU1 сообщений. MCU4 выполняет прием сообщений, поступающих с выхода DATA радиоприемника (Receiver) на вход INTO. Программное обеспечение для MCU3 и MCU4 разработано на языке C/C++ в IDE Arduino. Частоты тактовых генераторов микроконтроллеров MCU3 и MCU4 равны 16 МГц.
На рис. 5 приведен алгоритм протокола передачи данных для реализации энергосберегающего асинхронного интерфейса на основе радиопередатчиков, поддерживающих модуляцию типа OOK. Приведенный алгоритм протокола может быть реализован на базе интерфейсов, использующих оптическую, акустическую, проводную и другие среды передачи информации.
На рис. 6 приведен фрагмент программы, реализующей протокол энергосберегающего асинхронного интерфейса. Программа реализует тестовый режим, при котором осуществляется инкре-ментирование регистра R19 (байта передаваемых данных). Программа приведена с подробными комментариями, разработана c использованием языка Ассемблер и отлажена в IDE AVR Studio [19].
После инициализации таймера / счетчика TCO состояние его регистров контроля и управления показано на рис. 7.
Рис. 5. Алгоритм протокола энергосберегающего асинхронного интерфейса с использованием радиопередатчиков с ООК-модуляцией Fig. 5. Energy-saving asynchronous interface protocol algorithm using radio transmitters with OOK modulation
IB C:\AVR\2023\T.ltime.TC0.01\T.Ltime.TC0.01 .asm_|-o-R-S- КЩ
LDI R16. 0x42 ,Настроить TCO на "СБрос при совпадении' и на изменение
OUT TCCROA. R16 .состояния вывода на противоположное при совпадении
LDI R16. 0x02 : Установить Бит OCIEOA регистра TIKSK0. m е разрешить STS TIMSK0. R16 ; прерывание по событию "Совпадение А' от ТСО
LDI R16. 0x04 .Запустить ТСО, при этом коэффициент деления
OUT TCCR0B. R16 : тактовой частоты микроконтроллера к-256
SEI : Разрешить все прерывания
Бесконечный цикл (ожидание прерывания) c£>loop RJMP loop .Перейти на метку loop
;••••••»•»••••««»»»»••ОБраБотчик прерывании ••»•»»*•»»••••»••«•«•»•»»••»
ml: Вход в обработчик прерывания от ТСО по событию "Совпадение А" : Организация ветвления
DEC R17 ; Уменьшить на 1 содержимое счетчика ветвления.
BRNE т2 .если не ноль перейти на метку »2
RJMP тЗ ; Перейти на метку тЗ
: Вывод разделительного интервала (высокий уровень)
■2: LOI R18. 1 Загрузить в регистр R18 разделительный интервал (s*l)
OUT OCROA. R18 .Загрузить в регистр сравнения разделительный интервал RETI .Выйти из обработчика прерывания в бесконечный цикл
.'Вывод интервала данных (низкий уровень)
■ 3: OUT OCROA. R19 ; Загрузить в регистр сравнения данные для передачи IHC R19 ; Увеличить на 1 содержимое регистра данных
LDI R17. 2 ; Загрузить в счетчик ветвления константу 2
RETI .Выйти из обработчика прерывания в Бесконечный цикл
и
Рис. 6. Фрагмент программы в режиме отладки в IDE AVR Studio Fig. 6. Debug code in IDE AVR Studio
il © TIMER_COUNTER_C
Mtoit Уг)иг Sil
..j-f-GTCCR Ь2Э(Ь43) ы»П: : □
©OCROA ью □□□□UUUD
©KROB C*2Slfc.-ÍSj 0-ГО □□□□□□□□
iJ^ TCCROA (Hi itn inj ьдгГШСО
J-^TOCfH» 0*35 (MS) 0.D4ÜP □■□□
©TCfJTO frro□□□□□□□□
TIFRD MS (Üc35)
JJ^ TlMSKO ni ibf.Él ЫИ □■□
Рис. 7. Состояние регистров контроля и управления таймера / счетчика ТС0 после его инициализации Fig. 7. The state of the timer / counter TC0 control registers after its initialization
В результате эксперимента установлено, что при передаче двоичного кода х = 255 от МСШ, принятый МСи2 код равен передаваемому, т.е. 255, а принятый МСиЗ код равен 253 (см. рис. 4). Для выяснения причины ошибки необходим анализ аппаратного и программного обеспечения МСиЗ -это отдельная задача и в настоящей работе не рассматривается. Следует отметить, что стандартный интерфейс ИЛЯТ при работе на тактовой частоте, например 4 МГц, и скорости передачи 9 600 бит/с способен допускать ошибку 0,2% [21].
В таблице представлены зависимости интервалов: передаваемого и измеряемых (прибором МИ8-5200А) и t2 (устройством МСШ), от образцового интервала Тх и двоичного кода х, формируемого в МСИ1, при коэффициентах деления к = 1, 8, 64, 256 и 1 024. Интервал данных tx определен в результате расчета согласно (3).
Зависимости интервалов ¿х, й, ¿2 от Тх (мкс) и двоичного кода х
Интервалы х Tx = 0,25 к = 1 Tx = 2 к = 8 Tx = 16 к = 64 Tx = 64 к = 256 Tx = 256 к = 1 024
tx, мкс 5 1,5 12 96 384 1 536
125 31,5 252 2 016 8 064 32 256
250 62,75 502 4 016 16 064 64 256
tl, мкс 5 1,5 12 96 384 1 536
125 31,5 252 2 016 8 066 32 263
250 62,75 502 4 017 16 067 64 270
t2, мкс 5 2 12 94 378 1 515
125 31 248 1 988 7 955 31 824
250 62 494 3 961 15 848 63 397
Из данных таблицы видно, что передаваемые МСИ1 интервалы данных ^ и измеренные прибором MHS-5200A значения почти совпадают и отличаются от измеренных в МСИЗ.
Для корректировки возникающей между ^ и ^ разницы предлагается введение поправочного коэффициента ах = который определен по трем значениям х следующим образом (см. данные таблицы):
для х = 5, а5 = \ 536/\ 5\5=\,0\386; для х = \25, а\25 = 32 256/3\ 824=\,0\357; для х = 250, а250 = 64 256/63 397=\,0\355.
Тогда среднее значение поправочного коэффициента а = (а5 + аш + а250)/3 = \,0\37. Определим, в соответствии с выражением (5) и найденным значением поправочного коэффициента а = 1,0137, принятый двоичный код для случая, когда х = 250, у = - Ту)/аТу = (63 397 -- 256)/1,0137 256 = 250,025. Отбрасываем дробную часть, при этом получаем у = х = 250, т.е. принятый двоичный код равен отправленному.
3. Сравнение предлагаемого интерфейса с иЛЯТ по скорости передачи
Наиболее используемый формат передачи данных по ИЛЯТ - \0-битный, 1 бит стартовый,
8 бит данных и 1 бит стоповый. На передачу каждого бита на наиболее распространенной скорости
9 600 бод ИЛЯТ затрачивает ~ 104 мкс [21].
Значение передаваемого двоичного кода х является величиной случайной. Условимся считать, что содержимое передаваемого байта изменяется также случайным образом в диапазоне от 0 до 255 и может характеризоваться средним значением хср = \28.
При тактовой частоте микроконтроллера /с = 4 МГц и коэффициенте делителя к = 8 образцовый интервал Тх = 2 мкс. В этом случае для передачи двоичного кода хср = 128 требуется согласно (3) интервал tx = 258 мкс. С учетом выражения (2) разделительный интервал при 5 = 0 равен ts = Тх = 2 мкс. Тогда для передачи одного сообщения в соответствии с (4) требуется время Тм = ts + tx = 2 + 258 = 260 мкс. Для передачи по ИЛЯТ значения Хср = 128 требуются один байт и два служебных бита. В этом случае на передачу 10 бит при скорости 9 600 бод ИЛЯТ потребуется 1 040 мкс.
В данном случае скорость передачи данных с использованием исследуемого интерфейса в 1040/260 = 4 раза выше, чем в UART. Скорость передачи может быть повышена, если использовать коэффициент к = 1, а также максимальную тактовую частоту 20 МГц, на которой могут работать многие микроконтроллеры, в том числе и AVR.
4. Сравнение предлагаемого интерфейса с UART по энергопотреблению
Допустим, разделительный интервал ts равен битовому интервалу. Стандартный формат передачи одного сообщения по UART равен 10 битам. В среднем в одном сообщении содержится по пять бит лог. 1 и лог. 0. Без учета энергии, затрачиваемой на переключение логических уровней и перезарядку паразитных емкостей шины, при передаче сообщения с использованием OOK-модуляции передатчик затратит энергии в 5 раз меньше, так как генератор несущей частоты будет работать в течение одного разделительного интервала ts, равного битовому интервалу. При передаче пяти лог. 1 потребуется пять битовых интервалов, следовательно, на работу генератора несущей частоты будет затрачено в 5 раз больше энергии.
5. Пример определения скорости передачи интерфейса, построенного с использованием радиопередатчика TXM-433-LC
Максимальная скорость передачи TXM-433-LC составляет 5 000 бит/с [10]. Тогда битовый интервал на этой скорости составит tb = 200 мкс.
Определяем значение константы для формирования разделительного интервала из выражения s = tblTx. Для случая, когда Tx = 64 мкс, s = 200/64 ~ 3.
Определяем с учетом выражений (2), (3) и (4) время передачи одного сообщения, при этом принимаем x = хср = 128 (среднее значение одного байта данных) передаваемого двоичного кода: Tm = (1 + x)Tx + (1 + s)Tx = (1 + x + 1 + s)Tx = (2 + 128 + 3)64 = 8 512 мкс.
Определяем скорость передачи сообщений:
Nm = 1/Tm = 1 000 00018 512 ~ 117 сообщений («байт») в секунду.
Для передачи данных от датчиков, например температуры, влажности, давления и т.д., в большинстве случаев этой скорости достаточно.
На рис. 8 представлены осциллограммы сигналов на входе радиопередатчика (канал CH1) и выходе радиоприемника (канал CH2). Сигналы сформированы для случая, когда s = 0 и х = 9. Разделительный интервал (+Width) ts = Tx = 64,0 мкс, интервал данных (-Width) tx = (1 + x)Tx = 640 мкс. Частота следования разделительного интервала 1,42 кГц. В эксперименте использованы радиопередатчик FS1000A (XD-FST) и радиоприемник MX-RM-5V (XD-RF-5V) [22, 23].
Рис. 8. Осциллограммы сигналов сообщения для случая, когда s = 0, х = 9: канал CH1 - сигнал на входе передатчика; канал CH2 - сигнал на выходе приемника
Fig. 8. Oscillograms of a message signals for the case when s = 0, x = 9: channel CH1 - signal at the transmitter input; channel CH2 - signal at the receiver output
Заключение
В результате выполненных исследований установлено:
- энергопотребление радиопередатчиков с ООК-модуляцией ISM-диапазонов при использовании предлагаемого асинхронного интерфейса снижается в 5 раз по сравнению со стандартными протоколами, использующими передачу информации отдельными битами;
- формируемый микроконтроллером информационный сигнал по скорости передачи данных при тактовой частоте микроконтроллера fe = 4 МГц и коэффициенте делителя к = S в 4 раза выше скорости стандартного асинхронного интерфейса UART в случае его работы на скорости 9 6QQ бод. Интерфейс UART также может быть применен для управления передачей данных с использованием радиопередатчиков с ООК-модуляцией ISM-диапазонов;
- предлагаемый интерфейс может быть альтернативным решением вместо стандартного UART и реализован на базе таймеров / счетчиков, которые входят в состав многих микропроцессорных систем, в том числе и микроконтроллеров - базовых элементов интеллектуальных датчиков.
Разработано программное обеспечение, реализующее на базе таймера / счетчика с использованием прерываний алгоритм протокола для энергосберегающего асинхронного интерфейса; прерывания позволят освободить процессор микроконтроллера от непрерывного контроля состояния таймера / счетчика, работающего в качестве передающего устройства.
Список источников
1. Bairagi P.P., Dutta M. Various Energy-Saving Approaches in Wireless Sensor Networks: An Overview // Proc. of the10th IEEE
International Conference on Communication Systems and Network Technologies (CSNT). 2021. P. 499-504. doi: 10.1109/CSNT51715.2021.9509725
2. Паршин Д.Я., Булгаков А.Г., Бобров А.Е. Снижение энергопотребления беспроводных датчиков в информационно-
управляющих системах // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2Q13. № 3. C. 22-2б.
3. Андреев С.А., Воробьев В.А., Матвеев А.И. Снижение энергопотребления телеметрическими системами сельскохозяй-
ственного назначения // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина». 2019. № 1 (89). C. б0-б5.
4. Канциани К. Беспроводные датчики IoT и проблемы малого времени работы // Компоненты и технологии. 2Q15. № 12.
С. 132-135.
5. Скриначев М.О., Кротков Е.А., Макаров Я.В. Устройство питания измерительных датчиков, расположенных на воздуш-
ной линии электропередачи // Электротехника. 2Q22. № 1. С. 41-4б.
6. Никольский И.М. Исследование влияния продолжительности фазы сна на энергопотребление цепочки сенсоров // Вестник
Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2Q2Q. № 52. C. 83-89.
7. Астахова Т.Н., Верзун Н.А., Касаткин В.В., Колбанев М.О., Шамин A.A. Исследование моделей связности сенсорных
сетей // Информационно-управляющие системы. 2Q19. № 5. С. 38-50. doi: 10.31799/1б84-8853-2019-5-38-50
8. Магда Ю.С. Программирование последовательных интерфейсов. СПб. : БХВ-Петербург, 2QQ9. 3Q4 с.
9. Верхулевский К. Решения компании Semtech для беспроводной передачи данных // Беспроводные технологии. 2Q1S. № 4.
С. 22-28. URL: https://wireless-e.ru/transivery/semtech/ (дата обращения: 1Q.Q9.2Q22).
10. Модуль радиочастотного передатчика серии LC-Linx Technologies. URL: https://linxtechnologies.com/wp/product/lc-series-rf-transmitter-module/ (дата обращения: Q6.QS.2Q22).
11. Модули радиочастотного передатчика и приемника серии LR-Linx Technologies. URL: https://linxtechnologies.com/wp/ product/lr-series-rf-transmitter-receiver-modules/ (дата обращения: 0б.08.2022).
12. Вострухин А.В., Мастепаненко М.А., Вахтина Е.А., Габриелян Ш.Ж. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления // Электротехника. 2Q1S. № 7. С. 15-18.
13. Vostrukhin A., Vakhtina E. Temperature sensor resistance conversion to binary code using pulse width modulation // Proc. of the18th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development". Latvia, Jelgava. 2019. V. 18. P. 12б9-1274. doi: 10.22616/ERDev2019.18.N037
14. Zbigniew C. A measurement method for capacitive sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit // Measurement. 2020. V. 155 (7). Art. 107547. doi: 10.1016/j.measurement.2020.107547
15. Пат. 271979Q РФ, СПК G01R 27/2б (2020.02). Микроконтроллерное устройство измерения емкости для систем контроля и управления / А.В. Вострухин (RU), М.А. Мастепаненко (RU), Е.А. Вахтина (RU), И.А. Болдырев (RU). № 2019125537; заявл. 12.QS.2Q19; онубл. 23.Q4.2Q2Q, Бюл. № 12, 1Q с.
16. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. М. : ДМК Пресс, 2015. 558 с.
17. Arduino Support from MATLAB : Connect to and control Arduino inputs and outputs from MATLAB // Mathworks. URL: https://uk.mathworks.com/hardware-support/arduino-matlab.html (accessed: 11.09.2020).
18. Ревич Ю.В. Программирование микроконтроллеров AVR: от Arduino к ассемблеру. СПб. : БХВ-Петербург, 2020. 448 с.
19. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022618866 РФ. Программа для исследования и отладки энергосберегающего асинхронного интерфейса передачи данных с использованием проводных и беспроводных технологий / А.В. Вострухин, Е.А. Вахтина. Зарег. в Реестре программ для ЭВМ, Москва, 18.05.2022.
20. Vostrukhin A., Vakhtina E. Investigating a metering converter of capacitance using the Arduino platform // Proc. of the 20th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development". Latvia, Jelgava. 2021. V. 20. P. 686-691. doi: 10.22616/ERDev2020.19.TF038
21. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семействa Mega : руководство пользователя. М. : Додека-XXI, 2007. 592 с.
22. Ревич Ю.В. Еще раз о передатчиках и приемниках 433 МГц // Хабр. 2020. URL: https://habr.com/ru/post/491530/ (дата обращения: 28.06.2022).
23. Реализация беспроводного канала управления при помощи встраиваемых радиомодулей 433МГц STM32F4 // ElectroProg. URL: https://electroprog.ru/stm32_wirell_433mhz/ (дата обращения: 18.08.2022).
References
1. Bairagi, P.P. & Dutta, M. (2021) Various Energy-Saving Approaches in Wireless Sensor Networks: An Overview. Proceedings
of the10th IEEE International Conference on Communication Systems and Network Technologies (CSNT). pp. 499-504. DOI: 10.1109/CSNT51715.2021.9509725
2. Parshin, D.J, Bulgakov, A.G. & Bobrov, A.T. (2013) Reduction of energy consumption of wireless sensors in information
management systems. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoepriborostroenie. 3. pp. 22-26.
3. Andreev, S.A., Vorobiev, V.A. & Matveev, A.I. (2019) Reducing energy consumption of telemetric farm systems. Vestnik
Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovaniya "Moskovskiy gosu-darstvennyy agroinzhenernyy universitet imeni V.P. Goryachkina". 1(89). pp. 60-65.
4. Canziani, C. (2015) Besprovodnye datchiki IoT i problemy malogo vremeni raboty [Wireless IoT sensors and low uptime issues].
Komponenty i tekhnologii. 12. pp. 132-135.
5. Skripachev, M.O., Krotkov, E.A. & Makarov, Ya.V. (2022) Power supply device for a measurement sensor located on an over-
head power line. Elektrotekhnika. 1. pp. 41-46. DOI: 10.53891/00135860_2021_1_41
6. Nikolsky, I.M. (2020) Study of the impact of sleep phase duration energy consumption in sensor chain. Vestnik Tomskogo gosu-
darstvennogo universiteta. Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika i informatika - Tomsk State University Journal of Control and Computer Science. 52. pp. 83-89. DOI: 10.17223/19988605/52/10
7. Astakhova, T.N., Verzun, N.A., Kasatkin, V.V., Kolbanev, M.O. & Shamin, A.A. (2019) Sensor network connectivity models.
Informatsionno-upravlyayushchie sistemy. 5. pp. 38-50. DOI: 10.31799/1684- 8853-2019-5-38-50
8. Magda, Yu.S. (2009) Programmirovanieposledovatel'nykh interfeysov [Serial Programming]. St. Petersburg: BHV-Peterburg.
9. Verkhulevsky, K. (2018) Semtech solutions for wireless data transmission. Besprovodnye tekhnologii. 4. pp. 22-28.
10. Linxtechnologies. (n.d.) Modul' radiochastotnogoperedatchika serii LC-Linx Technologies [LC Series RF Transmitter Module -Linx Technologies]. [Online] Available from: https://linxtechnologies.com/wp/product/lc-series-rf-transmitter-module/ (Accessed: 6th August 2022).
11. Linxtechnologies. (n.d.) Moduli radiochastotnogo peredatchika i priemnika serii LR-Linx Technologies [LR Series RF Transmitter and Receiver Modules - Linx Technologies]. [Online] Available from: https://linxtechnologies.com/wp/product/lr-series-rf-transmitter-receiver-modules/. (Accessed: 6th August 2022).
12. Vostrukhin, A.V., Mastepanenko, M.A., Vakhtina, E.A. & Gabrielyan, Sh.Zh. (2018) A Microcontroller Measuring Resistance Converter. Elektrotekhnika - Russian Electrical Engineering. 89. pp. 421-424. DOI: 10.3103/S1068371218070118.
13. Vostrukhin, A. & Vakhtina, E. (2019) Temperature sensor resistance conversion to binary code using pulse width modulation. Engineering for Rural Development. Proc. the18th International Scientific Conference. Latvia, Jelgava. Vol. 18. pp. 1269-1274. DOI: 10.22616/ERDev2019.18. N037
14. Zbigniew, C. (2020) A measurement method for capacitive sensors based on a versatile direct sensor-to-microcontroller interface circuit. Measurement. 155. DOI: 10.1016/j.measurement.2020.107547
15. Vostrukhin, A.V., Mastepanenko, M.A., Vakhtina, E.A. & Boldyrev, I.A. (2020) Mikrokontrollernoe ustroystvo izmereniya emkosti dlya sistem kontrolya i upravleniya [Microcontroller capacitance measuring device for control and monitoring systems]. Patent RF, no. 2719790.
16. Evstifeev, A.V. (2015)MikrokontrolleryAVR semeystv Tiny iMegafirmyATMEL [Tiny and Mega family AVR microcontrollers from ATMEL]. Moscow: DMK Press.
17. UK. (n.d.) Arduino Support from MATLAB : Connect to and control Arduino inputs and outputs from MATLAB. [Online] Available from: https://uk.mathworks.com/hardware-support/arduino-matlab.html (Accessed: 11th September 2022).
18. Revich, Yu.V. (2020) Programmirovanie mikrokontrollerov AVR: ot Arduino k assembleru [Programming AVR microcontrollers: from Arduino to assembler]. St. Petersburg: BHV-Petersburg.
19. Vostrukhin A.V. & Vakhtina E.A. (2022) Svidetel'stvo o registratsii programmy dlya EVM 2022618866 RF. Programma dlya issledovaniya i otladki energo-sberegayushchego asinkhronnogo interfeysa peredachi dannykh s ispol'zovaniem provodnykh
i besprovodnykh tekhnologiy [Certificate of registration of the computer program 2022618866 RF. Program for research and debugging of energy-saving asynchronous data transmission interface using wired and wireless technologies]. The Certificate on Official Registration of the Computer Program in Russia. No. 2022618866.
20. Vostrukhin, A. & Vakhtina, E. (2021) Investigating a metering converter of capacitance using the Arduino platform. Engineering for Rural Development. Proc. the18th International Scientific Conference. Latvia, Jelgava. Vol. 20. pp. 686-691. DOI: 10.22616/ERDev2020.19.TF038
21. Evstifeev, A.V. (2007) Microcontrollers AVR of Mega family. User's manual [Mega AVR Microcontrollers: a user manual]. Moscow: Dodeka-XXI.
22. Revich, Yu.V. (2020) Eshche raz operedatchikakh ipriemnikakh 433 MGts [Once again about 433 MHz transmitters and receivers]. [Online] Available from: https://habr.com/ru/post/491530/ (Accessed: 28th June 2022).
23. ElectroProg. (n.d.) Realizatsiya besprovodnogo kanala upravleniya pri pomoshchi vstraivaemykh radiomoduley 433MGts STM32F4 [Implementation of a wireless control channel using built-in radio modules 433MHz STM32F4]. [Online] Available from https://electroprog.ru/stm32_wirell_433mhz/ (Accessed: 18th August 2022).
Информация об авторах:
Вострухин Александр Витальевич - доцент, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры электротехники, автоматики и метрологии Ставропольского государственного аграрного университета (Ставрополь, Россия). E-mail: avostrukhin@yandex.ru
Мастепаненко Максим Алексеевич - доцент, кандидат технических наук, декан электроэнергетического факультета Ставропольского государственного аграрного университета (Ставрополь, Россия). E-mail: mma_26@inbox.ru Вахтина Елена Артуровна - доцент, кандидат педагогических наук, доцент кафедры электротехники, автоматики и метрологии Ставропольского государственного аграрного университета (Ставрополь, Россия). E-mail: eavakhtina@yandex.ru
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Information about the authors:
Vostrukhin Aleksandr V. (Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Researcher, Department of Electrical Engineering, Automation and Metrology, Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russian Federation). E-mail: avostrukhin@yandex.ru Mastepanenko Maksim A. (Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Dean of the Electrical Power Faculty, Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russian Federation). E-mail: mma_26@inbox.ru
Vakhtina Elena A. (Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical Engineering, Automation and Metrology, Stavropol State Agrarian University, Stavropol, Russian Federation). E-mail: eavakhtina@yandex.ru
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию 12.12.2022; принята к публикации 09.06.2023 Received 12.12.2022; accepted for publication 09.06.2023
