Podrobnější studium protokolů pro bezdrátovou komunikaci nabídne celou řadu možných řešení, například bezdrátový M-Bus, KNX-RF, Enocean (se svým vlastním protokolem) a Z-Wave, přičemž všechny systémy pracují na kmitočtu 868 MHz. Jedná se však o různé protokoly, které nebudou vzájemně kompatibilní. Hovoříme totiž o koncových zařízeních různých výrobců, která pochopitelně nemohou komunikovat mezi sebou navzájem. Jednu věc však mají zcela jistě společnou: Nutnost placeného členství v odpovídající organizaci. Pokud si ale z uvedených standardů jeden vybereme, budeme mít příslušné prvky zcela jistě kompatibilní.
Kromě těchto kvazistandardů jsou dostupná také vlastní řešení jednotlivých výrobců polovodičů (viz také článek Začínáme se ZigBee pod taktovkou Microchipu na serveru hw.cz). Ačkoli jsou některá řešení zdarma, je možná pouze spolupráce prvků, využívajících příslušný protokol. Patří mezi ně například SimpliciTI od společnosti Texas Instruments. Jedná se o soubor, ve kterém směrovač (Router) podporuje síťové topologie typu star, point – to – point a cluster tree (v této souvislosti viz také článek Vývojové boardy pro bezdrátový přenos na 2,4 GHz, publikovaný na hw.cz).
Obzvlášť v Evropě mají zákazníci Texas Instruments velké zkušenosti s vývojem vf aplikací v pásmu 868 MHz a jsou proto vůči oblasti 2.4 GHz poněkud nedůvěřiví. Obě zmíněná kmitočtová pásma sice patří do skupiny ISM (Industrial Scientific Medical), ale omezený rozsah přenosového pásma a také „přetížení” na kmitočtu 2.4 GHz, který je hojně využíván bezdrátovými sítěmi LAN, Bluetooth a mikrovlnnými přenosy, je vývojáři vnímáno jako určité omezení.
Navzdory všemu je však o toto pásmo velký zájem, neboť bylo na rozdíl od pásem 868 MHz a 433 MHz (v Evropě) a 915 MHz (v USA) přijato celosvětově. Protokol ZigBee je dostupný pro pásmo 2,4 GHz a profily dálkového řízení Home Automation, Smart Energy a RF4CE tak, aby byla zajištěna jeho globální součinnost. Specifikace ZigBee také samozřejmě podporuje protokol, běžící na kmitočtu 868 MHz, bude – li implementován v mikrokontroléru nebo v rámci SOC (System on Chip, tzn. jak mikrokontrolér tak i vysílač – přijímač jsou integrovány na jednom čipu), musíme však ale počítat s poněkud omezeným výběrem součástek. Vývojáři rádi ocení konkurenční nabídky, kterých je v případě 2.4 GHz transceiverů i SOC opravdu dostatek. Za členství ve společenství ZigBee se ale platí. V případě nejběžnějšího členství typu „uživatel“ činí jednorázový poplatek, odváděný v roce, ve kterém je výrobek uveden na trh, 3 500 USD.
Aby byly odstraněny všechny pochybnosti 868 MHz komunity v otázce dosahu a zarušení, vystavěli jsme v jednom domě jednoduchou síť ZigBee s hvězdicovou topologií. To, co je velkou výhodou propojené sítě – automatický přenos informace od zdroje (např. teplotní snímač) prostřednictvím uzlů sítě až k cíli (např. ventilátor), zde ale nebylo využito, protože směrovače (jak jsou nazývány uzly pro předávání informace) vyžadují trvalé napájení z rozvodné sítě.
Jak jsme testovali
- Koordinátor: SmartRF05EB plus CC2530EB (viz foto)
- Koncová zařízení: Deska SOC_BB 1.1, napájená dvěma bateriemi typu AA (rovněž viz foto)
- Vyzářený výkon snímačů: 4.5 dBm
- Časování: Každých 10 sekund vysílá snímač do koordinátoru údaj o teplotě, naměřené nad odpovídajícím radiátorem. Data mohou být zpracována a předávána dál prostřednictvím ZigBee, GSM nebo internetu.
Obr. 1: Koordinátor
Obr. 2: Snímač teploty
Obr. 3: Hvězdicová síť s jedním koordinátorem a sedmi snímači teploty na pozici koncových zařízení
Popis domu v městské zástavbě
- Železobetonové stropy s tloušťkou v rozmezí 31 až 33 cm
- Tloušťka stěn: 13 cm
- Délka domu: 11 m
- Šířka domu: 6 m
- Maximální počet stropů mezi dvěma uzly: 2
- Všechny snímače jsou umístěny na radiátorech (viz foto)
Protože je v domě rovněž instalována síť WLAN, musel být v pásmu 2.4 GHz nalezen volný kanál. Do akce byl proto nasazen skener od firmy Metageek v kombinaci s programovým vybavením Chanalyzer Lite, jehož výsledky zobrazujeme níže. Jak můžeme vidět, ve spektru existuje na kmitočtu 2 420 MHz mezera. Celá síť byla proto nastavena na ZigBee kanál 14. Podobná funkce by ostatně mohla být rovnou softwarově implementována (Protocol Stack) a to tak, že síť automaticky vyhledává volný kanál. Také bychom se měli v této souvislosti krátce zmínit o otázce přeladění kmitočtu. Při použití této funkce, která již byla integrována v ZigBeePRO stacku, může celá síť přepnout na jiný kanál, vykáže – li ten původně zvolený bezprostřední rušení.
Obr. 4: Analýza bezdrátové aktivity v pásmu 2.4 GHz
Celá bezdrátová komunikace byla zaznamenávána pomocí analyzátoru sítě snímačů (Sensor Network Analyzer (SNA)) od společnosti Daintree. Současně s informací o každém jednotlivém uzlu program rovněž analyzuje topologii sítě. Jak ukazuje obr. 5, koordinátor (napájený ze silového rozvodu) jsme umístili v přízemí, zatímco snímače byly rozesety po celém domě.
Obr. 5: Bezdrátová síť s hvězdicovou topologií (living room – obývací pokoj, kids room – dětský pokoj, coordinator – koordinátor, sleeping room – ložnice, bath room – koupelna, aisle – chodba, hobby room – dílna)
Další výhodou tohoto programu je jeho schopnost měřit sílu každého signálu. V zobrazené testovací sestavě byl snímač SNA umístěn hned vedle desky koordinátoru. Na obr. 6 je vidět, že naměřený vysílaný výkon koordinátoru s adresou 0x0000 měl velikost 4 dBm. Vysokofrekvenční výkon všech uzlů včetně koordinátoru byl přitom nastaven na úroveň 4.5 dBm. Co jsme zjistili? Naměřené výsledky z daných uzlů byly ve všech ohledech reprezentativní: Nejslabší změřený signál byl od snímače ve třetím podlaží (nebo chcete – li druhém patru – viz obrázek) a činil -70 dBm. To znamená že vzhledem ke specifikaci IEEE 802.15.4, která stanovuje citlivost na úrovni 85 dBm, zde ještě existuje rezerva nějakých 15 dB. Integrované SOC řešení CC2530 (mikrokontrolér spolu s vysílačem – přijímačem) od TI má dokonce pro 1 % chybovost zaručovanou citlivost typicky až -97 dBm. Výsledkem tedy je, že by s dosahem určitě neměl být žádný problém. Zaznamenaná data, zveřejněná na obr. 6, ukazují, že uzly vysílají každých 10 sekund údaje v šifrovaném tvaru.
Obr. 6: Zachycená komunikace s protokolem ZigBeePRO (pro plný náhled klikněte)
Pro použitá čidla bude rozhodující také životnost baterie. Zákazníci obvykle očekávají, že snímače vydrží dvanáct let i více. To znamená požadavek na něco okolo 3 Ah, které mohou poskytnout například dva články typu AA (viz také článek A jak dlouho vydrží Vaše baterie?, publikovaný na hw.cz).
V níže popsaném praktickém testu je životnost baterie vypočítána jako integrál proudu v čase, přičemž proud byl měřen nepřímo jako napěťový úbytek na odporu o velikosti 1 Ω v sérii s napájením. V grafu (obr. 7) proto 10 mV odpovídá 10 mA. Záznam také ukazuje, že uzel snímače má před a po vyslání dat v režimu nízké spotřeby č. 2 odběr pouze 1 µA (aktivní hodiny reálného času a časovač).
Popis proudového profilu
Obr. 7: Charakteristický proudový odběr vysílacího uzlu
Spolu se spotřebou během samotného vysílání musí být rovněž uvažován odběr v klidovém režimu či ztráta v důsledku samovybíjení baterie (v tomto případě činí předpokládaná velikost 0.2 % za měsíc).
- a) Spotřebovaná energie (množství náboje) pro jedno vyslání dat na úrovni 95,10 mAms odpovídá
95,10 mAms/1000/3600 (mAh) = 26,4·10-6 mAh.
Jsou-li data vysílána každých 10 sekund, určíme proudovou spotřebu jako
((30d x 24h x 3600s) / (10s + 6,6.10-3s)) x 26,4.10-6 mAh/měsíc = 6,84 mAh/měsíc.
- b) Proud spotřebovaný za jeden měsíc klidového režimu určíme jako
1µA x 30 x 24h = 0,72 mAh/měsíc.
- c) Ztráty samovybíjením baterie se pak rovnají
3000 mAh x 0,2 % = 4,8 mAh/měsíc.
(Pozn.: Autor zřejmě předpokládá jen 80procentní využití článků z titulu samotné RF komunikace a proto jako výchozí hodnotu bere 2 400 mAh; pak ztráta 4,8 mAh/měsíc opravdu souhlasí.)
Celková spotřeba je v tomto případě
(6,84 + 0,72 + 4,8) mAh/měsíc = 12,36 mAh/měsíc.
Jestliže předpokládáme, že 80 % kapacity baterie je využito pro vysílač a 20 % pro ostatní funkce (např. LCD nebo LED indikace), bude vypočítaná životnost baterie činit
(0,8 x 3000 mAh) / 12,36 mAh/měsíc = 194 měsíců = 194/12 let = 16 let.
Shrnutí:
V článku se dospělo ke dvěma závěrům:
- V domech městské zástavby lze nasadit síť ZigBee s hvězdicovou topologií. S výhodou se dá použít bateriové napájení jednotlivých uzlů (čidel).
- Životnost baterie 11 let je dostatečně přijatelná hodnota.
(Pozn.: Přemýšlím, jaká konstanta srazila 16letý výsledek až na tuto hodnotu. Pokud se nejedná o pouhý překlep, dost možná jen odráží skutečné možnosti reálných baterií, ikdyž je prokázáno, že „neobyčejná“ životnost „obyčejných“ baterií někdy překračuje i několik desetiletí.)
Zdroje:
- Calculator_version_0.9.xls (http://www.learnzigbee.com/Calculators.html)
Něco málo o autorovi:
Hans-Günter Kremser pracuje jako aplikační inženýr Texas Instruments v Mnichově. Po ukončení studií v oboru informačních technologií v Kolíně pracoval ve společnosti EADS v Ulmu jako vývojový inženýr, pak získával zkušenosti u dvou výrobců polovodičů a nakonec, v červnu 2006, nastoupil do TI.
