Chiến lược mô-đun không dây công suất thấp


8

Tôi đang thiết kế các mô-đun cảm biến năng lượng thấp sẽ được trải rộng trên một diện tích khá nhỏ. Các mô-đun đều chạy bằng pin và sẽ hoạt động trong một thời gian dài mà không cần phải sạc / thay pin (càng lâu càng tốt, suy nghĩ ít nhất vài tuần nếu không phải vài tháng hoặc nhiều năm). Ý tưởng là cứ sau nửa giờ hoặc một giờ, mô-đun sẽ thức dậy từ chế độ năng lượng thấp, lấy một số mẫu và truyền dữ liệu đến bộ ghi dữ liệu trung tâm. Bộ ghi dữ liệu trung tâm có thể sẽ được cung cấp năng lượng trên tường nên mức tiêu thụ điện năng thấp là không cần thiết. Tôi không mong đợi bất kỳ mô-đun nào cách bộ ghi trung tâm hơn 100m, có thể ít hơn nhiều.

Tôi đã xác định được một số mô-đun thu phát có khả năng có thể hoạt động:

  1. ALPHA-TRX433S, 433 MHz
  2. ALPHA-TRX915S, 915 MHz
  3. Microchip MRF89XAM8A, 868 MHz
  4. Microchip MRF89XAM9A, 915 MHz

Từ những gì tôi đã đọc, tất cả các mô-đun này hoạt động trong các băng tần không được kiểm soát của FCC và nên an toàn khi sử dụng. Các mô-đun Alpha quảng cáo phạm vi 300m, nhưng tôi không thể hiểu phạm vi tối đa dự kiến ​​của các mô-đun Microchip sẽ là gì. Làm thế nào tôi sẽ đi về tính toán này?

Ngoài ra, vì tôi có lựa chọn băng tần, tôi nên chọn loại nào và tại sao (nghĩa là tôi nhận được gì từ 915 MHz trên 433 MHz và tôi mất gì)? Theo thứ tự các tham số tôi sẽ xem xét quan trọng nhất:

  1. Năng lượng thấp
  2. Phạm vi truyền (nhiều hơn là tốt hơn, trong lý do)
  3. Miễn nhiễm với các yếu tố môi trường khác (ví dụ như mạng wifi / tế bào, lò vi sóng đang chạy, tường / chướng ngại vật, nhiệt độ, v.v.). Mục đích sử dụng là trong môi trường dân cư và có khả năng sẽ có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể (giả sử -20C đến 50C).
  4. Tốc độ dữ liệu. Điều này không quan trọng lắm vì tôi đang mong đợi rất ít dữ liệu trên mỗi mẫu (nhiều nhất là vài byte).

Một câu hỏi khác mà tôi có là làm thế nào để xử lý nhiều mô-đun cố gắng truyền dữ liệu cùng một lúc. Tôi có một vài suy nghĩ về cách giảm thiểu điều này, nhưng tôi không chắc nên tiến hành giải pháp nào:

  1. Sử dụng thời gian bù ngẫu nhiên khi dữ liệu được truyền đi. Hy vọng là va chạm sẽ chỉ đơn giản là tránh được. Đây có lẽ sẽ là cách đơn giản nhất để thực hiện và có khả năng sẽ sử dụng ít năng lượng nhất. Tuy nhiên, điều này không đảm bảo rằng sẽ không có va chạm. Ngoài ra, có được một nguồn ngẫu nhiên tốt hoặc hạt giống giả ngẫu nhiên duy nhất có thể gây ra vấn đề, mặc dù không thể giải quyết được.

  2. Khi thức dậy và cố gắng truyền tải, hãy kiểm tra xem liệu có bất kỳ truyền nào đang được tiến hành không. Chỉ cần đợi kết thúc truyền trước khi gửi dữ liệu. Vấn đề sau đó trở thành cách tôi xử lý nhiều cảm biến ở trạng thái chờ, vì chúng có khả năng cả hai quyết định rằng việc truyền cuối cùng đã kết thúc và cả hai bắt đầu truyền cùng một lúc.

  3. Một số giải pháp khác.


Lưu ý rằng phạm vi 300m dành cho giao tiếp 'Xóa đường ngắm' và thông thường có thể giảm xuống 50 hoặc 100m (hoặc thậm chí ít hơn) trong nhà, tùy thuộc vào không. và loại tường giữa Tx / Rx. Tôi đã sử dụng cặp ASK / OOK Tx / Rx 433 MHz trong một dự án, với cấu hình sử dụng hơi giống nhau, tắt 4x1.5VDC AA (không chứa thủy ngân tiêu chuẩn), trong hơn 6 tháng.
icarus74

Đối với việc xử lý nhiều truyền đồng thời, các giải pháp đầu tiên của bạn gần với những gì tôi sử dụng. Trong trường hợp của tôi, máy phát của tôi sử dụng đầu vào cảm biến tạm thời chưa được hiệu chỉnh làm hạt giống PRNG để chuyển đổi thành độ lệch lên tới 3000ms, và sau đó tôi cũng sử dụng truyền lại.
icarus74

Câu trả lời:


9

Tôi có cảm biến phần cứng nguồn mở và nguồn mở sẽ cho bạn một điểm khởi đầu hoạt động: nó được kết nối internet và truyền nhiệt độ, độ ẩm và điện áp pin cứ sau hai phút, sẽ kéo dài 3-5 năm với pin 2xAA. Nó dựa trên mô-đun M12 6LoWPAN .

Tôi sẽ cố gắng hết sức để liên lạc với tất cả các câu hỏi của bạn:

Về sự đánh đổi ban nhạc:

433 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz

Phạm vi so với kích thước ăng-ten là sự đánh đổi rõ ràng ở đây. Mất đường không gian tự do là một hàm của bước sóng, vì vậy các tần số thấp hơn sẽ truyền đi xa hơn cho cùng một suy hao. NHƯNG, để tận dụng điều này, bạn cũng sẽ cần một ăng-ten phù hợp cũng có tỷ lệ theo bước sóng. Anten 2,4 GHz trên M12 chiếm khoảng 2 cm vuông diện tích PCB.

Một yếu tố thứ hai là cấp phép. 2.4GHz có thể có các trạm không được cấp phép trên toàn thế giới. 915MHz chỉ không được cấp phép tại Hoa Kỳ (đó là băng tần GSM ở mọi nơi khác). Tôi không chắc chắn các hạn chế về 433 MHz.

Tốc độ dữ liệu cũng được thực hiện theo lựa chọn tần số theo định lý Shannon Mitch Hartley ; bạn có thể nhồi nhét thêm dữ liệu vào dải tần số cao hơn. Điều này không phải lúc nào cũng được sử dụng cho tốc độ dữ liệu cuối cùng nhiều hơn. Ví dụ, 802.15.4, có 4 bit dự phòng cho mỗi bit thực được nhìn thấy ở lớp dữ liệu. 32 biểu tượng là giả trực giao nên bạn phải làm hỏng một số bit cấp thấp để gây ra lỗi. Điều này cho phép 802.15.4 hoạt động dưới tầng tiếng ồn (nghiên cứu cho thấy ở mức -5dB SNR) và làm cho nó tương đối mạnh mẽ để can thiệp.

Bây giờ đến chủ đề khó tiếp theo,

hoạt động vô tuyến điện thấp :

So với các nguồn pin gia dụng (ví dụ: kiềm kiềm), ngay cả các SoC "năng lượng thấp" như mc13224v cũng không có công suất rất thấp. Các máy phát ở khoảng 30mA ở 2-3,5V và các máy thu là 25mA hoặc hơn. Không tắt radio và đưa CPU vào trạng thái ngủ, tải này sẽ tiêu hao 2 AA trong vài ngày. Tiêu thụ năng lượng cao của máy thu thường gây ngạc nhiên cho mọi người và có lẽ là nỗi đau lớn nhất trong việc phát triển hệ thống vô tuyến công suất thấp. Hàm ý là để chạy trong nhiều năm, bạn gần như không bao giờ có thể truyền hoặc nghe.

Mục tiêu để có được hoạt động "lâu năm" từ các chất kiềm 2xAA là lấy dòng điện trung bình của hệ thống là <50uA. Làm như vậy sẽ khiến bạn mất nhiều năm để chống lại các tác động thứ cấp từ pin như tự xả và 7 năm cho pin gia dụng.

Cách tốt nhất để có được dưới mức trung bình <50uA là nếu bộ thu phát của bạn không cần nhận. Nếu điều này là đúng, thì bạn có thể "chirp" dữ liệu càng nhanh càng tốt và đưa hệ thống vào chế độ năng lượng thấp (khoảng 10uA) trong phần lớn thời gian. Các TH12 , ví dụ, đã truyền cho khoảng 10ms, nhưng có chi phí khác trong hệ thống liên quan đến thời gian và thời gian cài đặt xử lý cho cảm biến có liên quan. Các chi tiết có thể được thực hiện với một thăm dò và bảng tính hiện tại:

Từ kiểu phân tích đó, bạn có thể biết được tuổi thọ sẽ là bao nhiêu (giả sử bạn có đường cong xả chính xác cho pin của mình).

Nếu bạn cần nhận dữ liệu ở phía năng lượng thấp (ví dụ để tạo bộ định tuyến buồn ngủ trong mạng lưới) thì hiện đại tập trung vào các kỹ thuật phân chia thời gian. Một số đồng bộ hóa chặt chẽ mạng, chẳng hạn như đèn hiệu 802.15.4 và một số khác sử dụng hệ thống "lỏng lẻo" như ContikiMAC (có thể dễ dàng thực hiện đặc biệt hơn nếu phần cứng của bạn không có cơ sở thời gian ổn định).

Bất kể, kinh nghiệm của tôi cho thấy các phương pháp này ở mức trung bình khoảng 400uA, đưa bạn vào thời gian "vài tháng đến một năm" với 2xAAs.

Va chạm :

Lời khuyên của tôi: đừng lo lắng về chúng bây giờ. Nói cách khác, hãy thực hiện "aloha" (tùy chọn số 1 của bạn) nếu bạn có dữ liệu gửi nó. Nếu nó va chạm thì có thể gửi lại. (điều này phụ thuộc vào mục tiêu của bạn). Nếu bạn không cần đảm bảo rằng mọi mẫu đều được nhận thì chỉ cần thử một lần và đi ngủ ngay.

Bạn sẽ thấy rằng vấn đề tiêu thụ năng lượng rất khó khăn đến nỗi giải pháp duy nhất sẽ là một mạng không truyền tải nhiều. Nếu bạn chỉ cố gắng, nó có thể sẽ vượt qua. Nếu không, bạn luôn có thể thử lại sau.

Nếu bạn làm cần phải chắc chắn mỗi datagram được thông qua sau đó bạn sẽ phải làm một số loại chương trình ACK. Trong thế giới 6LoWPAN, bạn có thể sử dụng TCP sẽ tiếp tục thử lại cho đến khi pin của bạn hết. Ngoài ra còn có CoAP sử dụng UDP và có cơ chế thử lại (nhưng không hứa giao hàng). Nhưng mọi lựa chọn ở đây sẽ tác động đến thời gian. Nếu bạn đang hoạt động trong nhiều năm, tác động sẽ được tính bằng tháng.

Tùy chọn # 2 của bạn được tích hợp vào phần cứng 802.15.4 dưới dạng CCA. Ý tưởng là máy thu bật 8 ký hiệu và trả về giá trị đúng hoặc sai. Sau đó, bạn có thể đưa ra quyết định về những gì cần làm tiếp theo. Bạn có thể chơi với các chương trình này cả ngày / tuần. Nhưng mỗi khi bạn làm điều gì đó như thế này, bạn sẽ mất nhiều tuần hơn. Đó là lý do tại sao tôi đề nghị bắt đầu đơn giản ngay bây giờ. Nó sẽ hoạt động khá tốt nếu bạn đang cố gắng trong thời gian dài.


Liên kết của bạn không hoạt động!
Ryan Griggs

Tôi muốn thêm vào Công cụ ước tính XLP Microchip này , nó sẽ hiển thị cho bạn thời gian chạy dự kiến ​​cho các cấu hình khác nhau của pin và trạng thái / thời gian chạy. Ngoài ra, nếu tất cả các cảm biến là bộ chuyển đổi, bạn có thể thực hiện sơ đồ 'quay vòng' hoặc 'mã thông báo' trong đó chủ nhân liên tục hỏi thiết bị 0 đến "Có gì cho tôi không?" Cảm biến chờ đến lượt (10ms), truyền đi, sau đó tắt. Tôi khuyên bạn nên sử dụng một số loại tổng kiểm tra CRC, để tránh chấp nhận bất kỳ dữ liệu bị cắt xén nào. n
ndtsc

1

Bạn có thể quan tâm đến JeeNodes, về cơ bản là Arduino Uno được ghép nối với một mô-đun radio RFM-12B từ HopeRF. Nếu bạn viết mã của mình ngay trên các "nút" từ xa, bạn có thể dễ dàng nhận được hàng tháng từ một bộ pin, tùy thuộc vào cảm biến của bạn, v.v.

Kiểm tra trang web của anh ấy, tiêu thụ năng lượng là một cái gì đó được ghi chép lại. Một điều lý tưởng về điều này là bạn có thể sử dụng các thư viện arduino tiêu chuẩn cho các cảm biến của mình hoặc sử dụng các cảm biến trên cửa hàng jeelabs và sử dụng thư viện JeeLib giúp mọi thứ thực sự rất dễ dàng.

Tôi đã tạo một điều khiển từ xa nhỏ cho đèn ra khỏi JeeNode v6 và tắt nguồn pin Nokia cũ (khoảng 1 Ah nhưng có lẽ ít hơn bây giờ), nó đã hoạt động được 3 tháng và điện áp pin vẫn còn trên 3.9v (tức là vẫn còn khá đầy đủ). Nó chỉ ngồi đó trong giấc ngủ năng lượng thấp, thức dậy cứ sau vài ms để kiểm tra xem các nút có được nhấn hay không.

Tôi đã mua PCB từ cửa hàng JeeLabs, nhưng có tất cả các thành phần từ những nơi như ebay, Element14, v.v., nó đã kết thúc rẻ hơn theo cách đó.

Với một chút chú ý đến thiết kế ăng-ten, rõ ràng bạn có thể cách chúng vài trăm mét, tầm nhìn. Tôi dễ dàng có được vùng phủ sóng toàn nhà với một dây dọc đơn giản.


0

LÃI SUẤT DỮ LIỆU "Tốc độ dữ liệu cũng được thực hiện theo lựa chọn tần số theo định lý Shannon Khăn Hartley, bạn có thể nhồi nhét thêm dữ liệu vào dải tần số cao hơn." Sai lầm!!!

Tốc độ dữ liệu phải làm với băng thông không phải tần số sóng mang. Bạn có thể có tần số sóng mang thấp, nhưng băng thông cao và tốc độ dữ liệu cao.

FREQUENCY CARRIER Tần số sóng mang thấp hơn là tốt cho phạm vi. Nếu tần số giảm một nửa, phạm vi sẽ tăng gấp bốn lần. Nhưng kích thước ăng-ten cũng sẽ tăng. Thông thường ăng-ten là lamba / 2 hoặc lambda / 4 (lambda là bước sóng tính bằng mét).

NỘI DUNG KÊNH Điều này có vẻ khá rõ ràng thoạt nhìn nhưng có thể trở nên khó khăn. Như những người khác đã chỉ ra chiến lược đơn giản nhất sẽ là thức dậy và truyền đi một lần rồi đi ngủ. Nếu số lượng máy phát không lớn và thời gian ngủ lớn hơn nhiều so với thời gian truyền so với điều này sẽ hoạt động. Nhưng bạn phải sẵn sàng để mất một số dữ liệu trong trường hợp hiếm hoi.

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.