CC BY
72
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ZigBee В РЕАЛИЯХ КОНЦЕПЦИИ «УМНЫЙ ДОМ»
A.А. Прасолов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, prasolov.alex@gmail.com; Н.В. Бабаев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «БИС», n. babaev2016@yandex.ru;
B.В. Мошков, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «ТИОС», setvit97@mail. ru.
УДК 621.391.8_
Аннотация. В рамках данной работы была рассмотрена технология беспроводной связи ZigBee и описаны ее основные характеристики и типы оборудования. В рамках исследования были разработаны, собраны и протестированы устройства (координатор и оконечное устройство) стандарта ZigBee на базе Arduino Uno и радио-модуля XBee Serial 2, а также написано программное обеспечение для работоспособности комплекса. Произведен численный анализ потерь и дальности связи между координатором и оконечным устройством стандарта ZigBee. Проведен эксперимент на разработанных устройствах по определению качественных параметров сети ZigBee.
Ключевые слова: умный дом; датчик; ZigBee, Arduino, измерение, координатор.
RESEARCH OF QUALITATIVE PARAMETERS OF ZigBee TECHNOLOGY IN REALITIES OF THE «SMART HOUSE» CONCEPT
А.А. Prasolov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich, RSiV;
N. V. Babaev, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich, REC «BIS»;
V. Moshkov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich, REC «TIOS».
Annotation. As part of this work ZigBee wireless technology was reviewed and its main characteristics and equipment types described. As part of the study ZigBee devices (coordinator and terminal device) based on the Arduino Uno and XBee Serial 2 radio module were developed, assembled and tested, and software was written for the system's performance. A numerical analysis of the losses and communication ranges between the coordinator and the terminal device of the ZigBee standard is performed. An experiment was conducted on the developed devices to determine the quality parameters of the ZigBee network.
Keywords: smart house; sensor; ZigBee; Arduino; measurement; coordinator.
Введение
В связи с бурным развитием технологий получают широкое распространение системы автоматизации дома, так называемые системы «Умный
38
дом». Такие системы обеспечивают не только автоматизацию, но и безопасность жилища. «Умный дом», так же, как и «Умный город», является одним из элементов, составляющим концепт интернета вещей.
На сегодняшний день разрабатываются различные системы: информационные, контрольные и управляющие. С одной стороны, это информация о текущем состоянии объекта, а с другой стороны, имеется возможность управления, подачи сигналов, которые изменяют состояние объекта. Развитие беспроводной передачи сигналов приводит к постепенному вытеснению проводных способов передачи данных.
Существует множество технологий, на которых базируются современные системы «Умного дома», например, Wi-Fi, ZigBee, LoRa, Nb-IoT. ZigBee является одной из перспективных технологий построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации, которыми и являются системы «Умного дома». Прежде чем приступить к элементам исследования, необходимо указать на некоторые особенности стандарта ZigBee.
Первые упоминания о зарождении технологии были в 2004 г. ZigBee Alliance, тогда же технология была стандартизирована как IEEE 802.15.4. Основные задачи, решаемые за счет ZigBee: системы автоматизации зданий (в том числе, система контроля и управления доступом), системы освещения и контроля показателей воды и электроэнергии здания, системы обеспечения безопасности и так далее. Стандарт поддерживает три основных типа устройства: координатор -устройство, координирующее работу сети, инициализирует параметры сети; маршрутизатор - выполняет роль репитера, и оконечные устройства.
В реалиях данной статьи будет воссоздана сеть ZigBee напрямую соединенного координатора и оконечного устройства. Устройства ZigBee могут работать в разных частотных диапазонах: 868 МГц - в Европе, 915 МГц - в США и 2,4 ГГц - в Российской Федерации. В диапазоне 2,4 ГГц предусмотрено 16 частотных каналов по 1 МГц, максимальная скорость передачи в которых составляет 250 кбит/с. Максимальное расстояние связи 20-25 метров.
Стандартом IEEE 802.15.4 предусмотрено три типа обмена данными:
• передача непосредственно от устройства на координатор;
• передача с координатора на устройство;
• передача между одноранговыми устройствами.
В рамках исследования будет произведена разработка координатора и оконечного устройства стандарта ZigBee, протестирована дальность связи на соответствие стандарту в реальных условиях, а также протестированы качественные показатели сигнала.
Описание аппаратной составляющей разработки приемопередатчиков стандарта ZigBee
Общую структурную схему разработки, аппаратной составляющей устройств ZigBee, можно представить следующим образом (рис. 1).
Рисунок 1
Опишем каждый из блоков в отдельности:
• Модуль обработки информации отвечает со стороны координатора за формирование пакетов и обработку принятых от оконечного устройства пакетов; должен предоставлять информацию о параметрах сети радиомодулю для формирования радиосети, а также проводить качественную оценку радиосигнала по параметрам «Потери пакетов» и «Уровню сигнала». Со стороны оконечного устройства, модуль обработки информации отвечает за формирование пакетов и их передачу через радиомодуль в сторону координатора. Модули обработки информации реализованы на базе Arduino Uno, изображенную на рис. 3 с управляющим микроконтроллером ATmega328 [1]. Данная платформа выбрана за счет следующих критериев: платформа полностью удовлетворяет по техническим характеристикам; данная платформа поддерживает совместимые наборы библиотек для программирования работы различных радиомодулей (в том числе ZigBee); обладает хорошим отношением цена/качество [2, 3].
• Радиомодуль производит непосредственно прием и передачу в радиоэфир информацию с модуля обработки информации. В данной работе выбран радиомодуль XBee Series 2, изображенный на рис. 2, для коммутации радиомодуля с Arduino использована плата расширения Arduino shield. Модуль, согласно спецификации, может обеспечить уверенный прием информации на расстоянии 120 м на улице и 35 м в здании, а также обеспечить скорость передачи информации 250 кбит/с в диапазоне радиочастот 2,4 ГГц [4].
• К устройствам ввода/вывода относится экран на координаторе, где отображаются качественные параметры принятого сигнала, а также персональный компьютер, подключенный к координатору, с помощью которого можно вносить изменения в радиосигнал, а также производить изменения скорости передачи.
Радио-модуль XBee Arduino Uno
Рисунок 2
Программа для Arduino описана на языке программирования C++ в среде программирования Arduino IDE. С использованием данной среды программирования упрощается процесс загрузки программного кода на контроллер Arduino UNO. Алгоритм работы программы вынесен на рис. 3.
Рисунок 3
Модуль XBee использует сложные методы пакетной передачи данных протокола ZigBee и также может общаться с другими устройствами посредством последовательного интерфейса. Благодаря этому его можно подключить к Аrduino и управлять им с помощью этой платы. В данном случае реализуем пример с двумя модулями Xbee, один из которых передает данные, а другой получает эти данные. Для вывода информации к Аrduino также подключен ¿С.О-дисплей [3]. Схема соединения координатора и принимающего оконечного устройства представлена на рис. 4.
Оконечное устройство
Координатор
Рисунок 4
Численный анализ дальности связи
Для расчета дальности связи необходимо установить исходные данные для расчета в соответствии с выбранными устройствами: мощность передатчика - 1 мВт; чувствительность приемника - 92 дБм. Ослабление сигнала в свободном пространстве определяется по следующей формуле [5]:
FSL = 33 + 20(/^ + 1дО); (1)
где: F - центральная частота в МГц, D - расстояние между приемником и передатчиком в километрах.
Произведем пример расчета для расстояния 6,5 м и 12 м, чтобы отследить систематику роста потерь.
6,5 = 33 + 20(/#2400 + 1д0,0065) = 57,3 дБ; 12 = 33 + 20(/#2400 + /#0,012) = 62,6 дБ.
Данный расчет уже показывает, что при увеличении расстояния в 2 раза, возникают потери в 5,3 дБ.
Далее необходимо определить потери, возникающие при прохождении радиосигнала через различные препятствия (стены). Ослабление сигнала при прохождении: через дерево равно 3-4 дБ; через кирпич 6 дБ; через бетон 10 дБ. С учетом данных параметров, формула (1) преобразовывается следующим образом.
и
I = 33 + 20(/^ + - ¿пр; (2)
Соответственно получаем следующий результат расчета потерь, при расстоянии 6,5 м и 12 м, с учетом что между координатором и оконечным устройством будет одна стена (деревянная или бетонная).
^6»5дерево 61,3 дБ; ^6,5бетон 67,3 дБ; ^12дерево 66,6 дБ; ^12бетон 72,6 дБ.
Расчет энергетического запаса на замирания рассчитывается как разница между чувствительностью приемника и рассчитанных выше потерь Ь. Следовательно, энергетический запас ЕЯ в данных четырех случаях будет: £й65 = 30,7 дБ; £й65в =24,7 дБ; £Д12 =25,4 дБ; £й12в =
6,5дерево ^ 5 6,5бетон ^ 5 12дерево ^ 5 12бетон
19,4 дБ. В соответствии с [5] энергетический запас для устойчивой связи должен составлять порядка 20-25 дБ. При расчете получаем, что последний вариант уже не обеспечивает необходимый запас.
Расчет дальности связи произведем по обратной формуле (2), из которой вынесено расстояние. Тогда формула примет следующий вид:
Б = (3)
также преобразуется расчет потерь, и будет рассчитываться как:
РБЬ = У - БОМ - ¿пр; (4)
где: ¿пр - потери при прохождении через препятствия, описанные ранее; ER -энергетический запас в дБ; Y - суммарное усиление тракта в дБ, которое определяется следующим образом:
^ = ^х + + ^ГХ — ЦтХ; где: Р1х - излучаемая мощность передатчика (координатора) в дБм; в1х, вгх -коэффициенты усиления передающей/приемной антенн в дБ; Р1х -чувствительность приемника в дБм. Результат расчета по (3) вынесен в табл. 1.
Таблица 1.
Материал препятствия Чувствительность приемника, дБм Дальность связи, м
Бетон -92 7
Дерево, гипсокартон -92 14
Результаты отображают, что радиосигнал может быть нестабильным или вовсе отсутствовать при расстоянии 7 и более метров, если между координатором и оконечным устройством находится бетонная стена, и 14 и более метров при деревянной стене.
Исследование качественных параметров радиосигнала
Суть исследования заключалась в следующей идее: переносной модуль непрерывно передавал пакеты, которые принимались стационарным модулем. Оценка качества связи проводилась с использованием написанных программ на платах Аrduino, что позволяет оценить уровень принимаемого сигнала, дальность связи и количество потерянных пакетов при передаче модулю, подключенному к ПК. Программа также позволяет программировать параметры модуля и устанавливать размер тестовых передаваемых пакетов.
Тестирование проводились с использованием модулей ХВее. Использовались параметры передачи: скорость передачи данных 9600 бод, длина пакета - 32 бит [6].
Исследование проводилось в реальных условиях на территории университета в лаборатории научно-образовательного центра «Беспроводные инфотелекоммуникационные сети», схема помещения которого вынесена на рис. 5, где синим отображается координатор сети, который принимает сигнал с оконечных устройств (зеленых) в различных точках.
Рисунок 5
Результаты измерений уровней сигнала и процентов принятых пакетов в приведенных выше точках сведены в табл. 2.
Таблица 2.
Параметр Точка местоположения оконечного устройства ZigBee
1 2 3 4 5 6 7
Расстояние между модулями, м 5,3 6,5 3,5 5,5 7,2 12,1 11,6
Уровень сигнала, дБм -52 -67 -81 -79 -69 -92 -92
Процент принятых пакетов, % 100 100 98 98 100 91 84
Данные, полученные в ходе исследования показали, что в точке 6 и 7, сигнал проходящий через пару бетонных стен уже на 11-12 м находится на уровне чувствительности приемника или ниже. В данных точках происходит потеря пакетов от 20% вплоть до полной потери пакетов. В точках 3 и 4 возникает похожая ситуация, однако за счет приближенности к координатору уровень сигнала находится в рамках чувствительности, а там же обеспечивается передача информации практически без потерь. Реальная ситуация в лучшую сторону отличается от теоретического расчета, однако это может быть связано с различными материалами стен в исследуемой зоне. Однако результат удовлетворяет рассчитанному значению при проходе сигнала через деревянную/гипсокартонную стену.
Заключение
В ходе исследования были разработаны и протестированы в реальных условиях устройства стандарта ZigBee на базе Arduino Uno, а также проведена практическая проверка параметров качества связи стандарта ZigBee.
Проанализировав теоретические и практические результаты, можно сделать вывод, что рекомендуемым теоретическим расстоянием между устройствами внутри бетонного помещения является расстояние, не превышающее 7 м, а для деревянного/гипсокартонного помещения, с учетом возможных преград - 14 м. Максимальное расстояние, при котором обеспечивалось соединение между координатором и оконечным устройством в реальных условиях при прохождении сигнала через различные по материалам и исполнению препятствия составило 12,1 м. При наличии явных преград нужно использовать маршрутизатор. Использование эффективного маршрута передачи данных обеспечивает внедрение технологии ZigBee в повседневную жизнь.
Литература
1. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 400 с.: ил. - (Электроника)
2. Arduino Forum - Index. - 2019 - URL: https://forum.arduino.cc
3. Петин В.А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 152 с.
4. XBee/XBee-Pro RF Modules Product Manual v1.xEx - 2019 - URL: https://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/ZigBee/XBee-Datasheet.pdf
5. ZigBee Alliance [Электронный ресурс], - www.ZigBee.org.
6. ZigBee Alliance. ZigBee Specification. Q4/2007 [Электронный ресурс], -http://www.ZigBee.org/en/spec_download/ZigBee_downloads.asp.
7. Варгаузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 [Электронный ресурс], -http://old.telemultimedia.ru/art.php?id=83&rid=9.
8. Четырехпозиционная фазовая модуляция со сдвигом квадратур (OQPSK) [Электронный ресурс], - http://digteh.ru.
9. Беспроводные сети ZigBee и Thread [Электронный ресурс], -http://www.wless.ru.
10. IEEE Computer Society. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). IEEE Std 802.15.4™-2006. [Электронный ресурс], -http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.
11. Соммер, У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino / У. Соммер. - СПб: БХВ-Петербург, 2012.
12. IEEE TG 15.4. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE standard for Information Technology, IEEE-SA Standards Board, 2008.
ТЕХНОЛОГИИ ДОСТУПА К СЕТИ 5G NR
И. А. Бабанов, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, ivan.babanov@gmail.com; Р.А. Андреев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, НОЦ «БИС», andreeffrom@mail.ru.
