(הזיהום האוויר העירוני הוא אחד האתגרים הסביבתיים הדוחקים ביותר של המאה ה-21, תורם למיליוני מקרי מוות בטרם עת ומצמציינים מערכות בריאות ברחבי העולם.כדי להילחם באלה, הערים מתפרסות יותר ויותר רשתות חיישן אלחוטיות (WSNs) המנטרות את המזהמים העיקריים כגון חנקן (NOFLT: 02FLT:1), חומר חלקי (PMFLT2:2FIRD) ו-FIRDIRSTERILO) ו-FIRDIRSTERILOILOD (ILOD)

הבנה של Frequency Shift Keying (FSK)

תדירות Shift Keying היא טכניקה דיגיטלית מודולציה שבה תדירות המוביל משתנה בין שני ערכים (או יותר) דיסקרטיים לייצג נתונים בינאריים. בצורתו הפשוטה ביותר -binary FSK (BFSK) - לוגי ו-#8216; 1 & #8217; הוא מועבר בתדר אחד (הסימן) ו- #82; 017 בתדירות גבוהה של שימוש בתדירות גבוהה של שימוש בתדירות דיגיטלית (F17) ו- F17 (S) הוא בעל תדירות זההאפקטיביות) ותדירות גבוהה של שימוש בתדירות גבוהה של שימוש בתדירות גבוהה של שימוש בתדירות גבוהה (F17 (F17) ו- F.82) הוא גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, תדירות (אפקטיביות) הוא בעל תדירות (אפקטיבי) ו-F17 (אפקטיביות גבוהה של תדירות (אפקטיבי) ו- 2.

סוגים של FSK בשימוש ב- WSNs

בעוד BFSK הוא הנפוץ ביותר, כמה גרסאות פותחו כדי לשפר את היעילות ספקטרלית ואת הנתונים באמצעות חישוב:

  • (FLT:0)Binary FSK (BFSK)IRLT) 1:1: השתמש בשני תדרים; פשוט, חזק, אך יעיל במיוחד עבור שיעורי נתונים גבוהים.
  • (FLT:0) Multiple FSK (M-FSK)FLT:1: שימוש ביותר משני תדרים (למשל, 4FSK, 8-FSK) כדי להעביר מספר ביטים לסמל, הגדלת שיעור הנתונים בעלות מורכבות ויחס אותות (SNR)
  • (FLT:0)GMSK מינימום Shift Keying (GMSK)FLT:1: טופס של FSK מתמשך עם מסנן Gaussian מוחל על אות הבסיס.הוא מייצר ספקטרום קומפקטי ומשמש ב- GSM ו- Bluetooth. ב- Power-WSNs, GMSK מציע עסקאות מצוינות בין יעילות לצריכת חשמל.
  • (FLT:0)Minimum Shift Keying (MSK)irFLT:1: מקרה מיוחד של FSK שבו התכווצת תדירות היא בדיוק חצי קצב הקטן, המאפשר אותות אורטוקונים ומעטפה קבועה, המאפשרת לגברה לא ליניארית ללא עיוות.

עבור חיישני איכות אוויר עירונית - שבדרך כלל משדרים חבילות נתונים קטנות (למשל, מזהה חיישן, חותמת זמן וריכוזים מזוהמים) במרווחים החל מ דקות עד שעות -BFSK או GMSK הם לעתים קרובות אופטימליים, איזון פשטות, כוח וטווח.

למה FSK Over Another Modulation Schemes?

בסביבה האלקטרומגנטית רועשת של עיר, הבחירה של Modulation היא קריטית. Amplitude Shift Keying (ASK) ו- On-Off Keying (OOK) הם פשוטים אך פגיעים להפרעות ממקורות משותפים כמו ignitions, קווי חשמל, משדרים אלחוטיים.שלב Shift Keying (PSK), בעוד יעיל, דורש יותר מורכבים וכוח-hungrys.

  • (FLT:0) מעטפות (Constant bitofFLT:1) מאפשר שימוש ב- Class C או D מגבר, צמצום כוח ניקוז על חיישנים מתוחזקים סוללות.
  • (ב) דחיית רעשים בלתי פוסקת (ב"ג) 1 משום שהמידע מתבצע בתדירות, לא באמפליט, מה שהופך אותו לנקייה ורעש אימפולסיבי.
  • (FLT:0) ממעצב, מעגלים משולבים זולים של עלויות נמוך 1 , כגון CC1101 (על ידי Texas Instruments) או משפחת Semtech SX127x משלבת את FSK עם LoRa מצב, נותן מפתחים גמישות.

היתרונות של FSK ב-WiFile Sensor Networks for Air Quality Monitoring

מינוף של WSN לכל ניטור איכות האוויר מטיל מגבלות מחמירות: חיישנים חייבים לפעול במשך שנים על סוללה אחת, לתקשר באופן אמין ברחובות ובבניינים, ונשארים סבירים מספיק כדי להגיע למאות או אלפי צמתים.

אחריות בסביבה עירונית עוינת

ערים הן הפרעה לתדירות רדיו מ-Wi-Fi, Bluetooth, טלפונים ללא חוט, ואפילו מכונות תעשייתיות.FSK ’ תדירות-דומיין מבטיחה כי וריאציות amplitude הנגרמות על ידי fading או הפרעות לא משחיתות ישירות את הנתונים.בנוסף, מקלטי FSK יכולים להשתמש בתדירות גבוהה או לולאות בשלב (PLL) כי הם פחות רגישים ל-ידי תיבות של מעקב אוויריות של DFK) כגון:

צריכת חשמל נמוכה

חיישן איכות אוויר טיפוסי נושך סביב 50-100 mW במהלך חישה פעילה ומשלוח. רוב האנרגיה הוא בילה משדר רדיו בעת שליחת נתונים. משדרי FSK יכולים לפעול במצב פרץ עם מחזור חובה של פחות מ-1%, עוד חיתוך כוח ממוצע.הטבע הקבוע של FSK מאפשר שימוש בממריצים לא לינאריים להשיג כי יעילות של פחות מ קיבולת של פחות מ-1%, לעתים קרובות מתרגם את רמת התחזוקה של 3.

עלויות-אווירה

מודמים FSK הם בין המודולים האלחוטיים הזולים ביותר הזמינים.A יחיד-chip Transceiver משלב FSK Modulation / Dimodulation יכול לעלות מתחת 2 $ נפח.פשטות המעגל גם מורידה את עלויות העיצוב וההסמכה.יתר על כך, FSK & #8217s חזקים פירושו כי תוכניות רשת יכולות להציב צמתות יותר או פחות חוזר, צמצום העלות הכוללת של יתרון בעלות על פני , עבור תוכניות החלטיות.

טווח ארוך ותעמולה עירונית

אותות FSK פחות רגישים לאובדן נתיב ואפקטים צללים מאשר טכניקות רבות אחרות של GHz FSK (למשל, 868 MHz באירופה, 915 MHz בצפון אמריקה) מציע חדירה בניין מעולה וביצועים שאינם בקו-פס של הראייה.עם עיצוב אנטנה מתאים וקישור תקציבים, טווחים טיפוסיים של 1-2 ק"מ בסביבות עירוניות ועד 10 אזורים פתוחים הם חסימת שער אחד, המאפשרת באופן משמעותי.

מערכות ניטור איכות אוויר עירוני

מערכת ניטור איכות אוויר עירונית מקצה לקצה המבוססת על FSK-e מאובזרת מספר שכבות: צמתים חיישן, רשת תקשורת, שערי רגולציה נתונים, ניתוח ענן ופלטפורמות הדמיה.

חיישן Nodes andמזהמים עקבו אחרי

כל חיישן node בדרך כלל בתים אחד או יותר חיישני גז (אלקטרוניקה, מתכת חמצני, או אופטי), נוגד חומר חלקיקים (laserפיזור או gravimetric), חיישן טמפרטורה / בדידות לתיקון, מיקרובקר, ו FSK transceiver. coutants ו ensing העלות האופייני שלהם יעיל ensing טכנולוגיות כוללים:

  • (ב) ויקרא י"א:2 ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא יט"ב, ויקרא י"ד).
  • (ב) [ה]ה- [ה]מ"מ]"מ[2]"[דרוש מקור]" (ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]
  • (ב) [15] ויקרא י"א): ויקרא ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא:2 ויקרא יט: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

המיקרובקר קורא ערכי חיישן במרווחים ממוצבים (למשל, כל 15 דקות), חבילות את הנתונים למסגרת קצרה (בדרך כלל 20-40 ע"י ים), ומציטט את רדיו FSK לשדר אל השער הקרוב ביותר. מודולים מסחריים רבים, כגון סדרת TI CC13xx, משלבים את המיקרובקר ורדיו FSK על שבב יחיד, צמצום גודל וכוח.

Topology and Data Reting

הטופולוגיה הנפוצה ביותר עבור איכות אוויר עירונית WSNs הוא כוכב-of-stars או מבנה עץ אשכול. חיישנים נושונים לתקשר ישירות עם שער מקומי (טופולוגיה כוכבים) כדי למזער את הגמישות ולפשט את routing.The Gateway - לעתים קרובות על אור רחוב או בניין - מרחיב נתונים מפרויקטים מרובים ומעביר אותו באמצעות סלולארי, Wi-Fi, או Ethernet לשרת מרכזי, אבל FROMS1K2, באמצעות מורכבות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, 000, 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, 000 000, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

מידע על ההרחבה Backhaul

Gateways במערכות מבוססות FSK בדרך כלל להשתמש בגיבוי גבוה יותר פסוויד (למשל, 4G/5G cell או סיבים) כדי להעלות נתונים מצטברים לפלטפורמות ענן.בענן, נתונים מתואמים באמצעות אלגוריתמי למידת מכונה כדי להפחית את הסחף ואת הרגישות הצלבית, ארכיון, והפך נגיש באמצעות API עבור ציבורים ודיווחים מספר פתוח כגון פלטפורמות FKA, כגון אינטגרציה סטנדרטית של נתונים, כגון אינטגרציה של אינטגרציה של RMSAP.

אתר אינטרנט מבוסס FSK בפראג

בשנת 2021, העיר פראג רשמה 200 צניחה באיכות אוויר באמצעות BFSK ב 868 MHz עם 100 mW משדר כוח.כל צומת נמדד PMFLT:02.503FLT:1, PMFLT:2100303S5S LT 3, NOFLT:42FLT:5, OLT63LT 7, COLT3103103103th ו-A עזרה ב-IUMLL, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , , , , , , 000 , 000 , , , , , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 קיבולת גבוהה , 000 , 000 , 000 , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , 000 , 000 , 000 ,

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות שלה, FSK אינו ללא חסרונות.הבנת המגבלות הללו חיונית עבור ארכיטקטים במערכת לעצב רשתות חזקות.

שילוב של Coexisting Wireless Systems

להקות ISM ללא רישיון בשימוש על ידי FSK (868/915 MHz, ולעתים 2.4 GHz) צפופות. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, ואפילו תנורי מיקרוגל יכולים ליצור הפרעה מחוץ לפס המפנה את מקלטי FSK מודרניים. FSK Transceivers להתמודד עם זה עם FLT:0adaptive phal FLT1 ו-FLT2re; אבל להגדיל את המורכבות העירונית של LT2F.

שיעור נתונים מוגבל

BFSK תומך בדרך כלל בשיעורי נתונים מ-1.2 kbps ל-500 kbps בלהקות תת-GHz.עבור נתוני חיישן שמעבירים כמה עשרות חתימות לשידור, זה פשוט.עם זאת, אם יישומים דורשים עדכוני קושחה אוויריים אוויריים או sampling ⁇ גבוה (למשל, 1 שניות עבור ניטור פליטות), שיעור הנתונים המוגבל יכול להפוך לבקבוק מתפתח.

Multipath Fading ו Shadowing

סביבות עירוניות גורם השתקפות, דיפרציה, ופיזור גלי רדיו, המוביל ריבוי fading.FSK & #8217; אפליה בתדר יכול להקטין כמה אפקטים, אבל דואט עמוק עדיין יכול לגרום לאובדן החבילה. טכניקות גיוון - כגון שימוש אנאנטנות מרובות (מגוון עצום) או שליחת חבילות בתדרים שונים (מגוון ⁇ ) - יכול להוסיף מורכבות חלופית, מפעילי רשת עשויים להבטיח כיסוי נוסף כדי להגדיל את הקרנות.

שילוב עם טכנולוגיות תקשורת אחרות

כמו ערים מתפתחות לפלטפורמות עיר חכמות, מערכות WSN חייבות לשתף פעולה עם טכנולוגיות אחרות של IoT כמו LoRaWAN, NB-IoT ו-5G. FSK פועלות לעתים קרובות כאיים מבודדים.כדי להתגבר על זה, השערים חייבים לתרגם בין פרוטוקולים, הצגת נקודות שקיפות ונקודות כישלונות פוטנציאליות.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

האבולוציה של FSK באיכות האוויר העירוני WSNs מונעת על ידי הצורך ביכולת נתונים גדולה יותר, חיי סוללה ארוכים יותר ושילוב חלקה עם תשתיות IoT מתפתחות.

אינטגרציה עם רשתות דלת-עוצמה (LPWAN)

לורWAN, טכנולוגיה שאינה סלולרית של LPWAN המבוססת על ספקטרום התפשטות צ'ייפ, צברה פופולריות עבור עיר-scale IoT.עם זאת, FSK עדיין מחזיקה ביתרונות בסביבות שבהן נדרשת נטיות נמוכות וערוצים דטרמיניסטים.מערכות היברידיות המשתמשות ב-FSK עבור אזהרות בעלות אחריות גבוהה (למשל, כאשר רמות מזוהות) ו-LRAWAN עבור נתונים יכולות להציע את הטוב ביותר של רשתות FSKFSKFSK, כמו , קיבולת גבוהה (יותר מ-5.4 רשתות יעילות) ו-5.4 רשתות יעילות (מ-FD).

Machine Learning-Driven Fitulation

צמתים עתידיים יכולים להשתמש במכונה משובצת למידה כדי לעבור דינמי בין FSK, GMSK, ו LoRa מבוסס על תנאי ערוץ בזמן אמת.אם אובדן החבילה עולה, הצומת עשוי לרדת לשיעור נתונים נמוך יותר (יותר חזק) או לעבור למודולציה שונה. גישה רדיו קוגניטיבית זו תתאים הן בטווח והן באמצעות חישוב תוך שמירה על כוח.

אנרגיה מתחדשת ו- Ultra-Low-Power FSK

כדי לחסל את החלפת הסוללה לחלוטין, החוקרים משלבים איסוף אנרגיה (סולאר, רטט, תרמי) עם רדיו אולטרה-עוצמה FSK כוח-עוצמה FSK. New Transceiver עיצובים, כגון IEEE 802.15.4-2020 UWB-IR, להשתמש ב- FSK מבוסס הדופק שמושך פחות מ 1 מיקרו-ו במצב שינה ויכול להתעורר במיקרו-שניות כדי להעביר חבילה כזו.

Edge מחשוב ו-Real-Time Analytics

במקום לשלוח את כל נתוני החיישן הגולמיים לענן, שערי קצה עם מכשירי FSK יכולים לבצע ניתוח ראשוני – כגון veraging, aomaly זיהוי, ודיווחים מוקרן על ידי אירועים.זה מקטין רוחב פס לאחור ומזרז את זמני התגובה.לדוגמה, FSK- node מבוסס מזהה עלייה פתאומית ב- PMFIRFIRFIRFIRFIRFIRFIR LT:02.5FLT1 (למשל, אתר שידורים) או שידורים, יכול לדחוף מיד את אנשי בניין.

מסקנה

תדירות Shift Keying נשאר טכניקה מודולציה בסיסית עבור רשתות חיישן אלחוטי המוקדש ניטור איכות אוויר עירוני.האמינות המוכחת בסביבה רועשת, התערבות-לאדן, בשילוב עם צריכת חשמל נמוכה ועלויות חומרה נמוכות, עושה את זה בחירה פרגמטית עבור ערים המבקשים לפרוס אספקטים עירוניים צפופים, ארוך טווח שמירה על נתונים ואתגרים התערבות נמשך, התקדמות מתמשכת בהסתגלות, WAN, שילוב היברידי, ו- F17S ממשיך להשיג יכולות בריאותיות יעילות יותר.