רשתות חיישן אלחוטיות (WSN) הפכו לטכנולוגיה בסיסית באינטרנט של דברים (IoT), המאפשרות יישומים המשתרעים על ניטור סביבתי, חקלאות מדויקת, בריאות חכמה, אוטומציה תעשייתית, ועקב צבאי.רשתות אלה מסתמכות על מספר רחב של מסלולים זולים, חיישן כוח נמוך המספקים תקשורת אלחוטית אפילו לטווח קצר עד בינוני, עם זאת, כמו סביבות אלקטרומגנטיות גדלות יותר ויותר עם מכשירים החל מסמארטפונים ו-Fi-Fi-Fi-upics-upt-upt-upts-up-up-up-up-up-up-upic) ללא יכולת הפעלה יעילה של אבטחה גבוהה של אבטחה גמישהעיצובית של רשתות אבטחה.

הבנת EMC בקונטקסט של WSNs

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) היא היכולת של מכשיר אלקטרוני לתפקד כראוי בסביבה האלקטרומגנטית המיועדת שלו מבלי להציג הפרעות אלקטרומגנטיות בלתי נסבלות לסביבה זו.

  • (FLT:0)ImmunityFLT:1 - החיישן חייב להתנגד להפרעות אלקטרומגנטיות חיצוניות (EMI) ממקורות כגון משדרי רדיו סמוכים, החלפת ציוד חשמל, פריקות אלקטרוסטטיות, ו transientients מושרה ברק.
  • (FLT:0)הההעברה של ה-Nund חייבת לא לחדור אנרגיה אלקטרומגנטית מוגזמת שעלולה להפריע במערכות אלחוטיות אחרות, כגון Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, או אשכולות WSN הסמוכים.

מכיוון שנקודות WSN מופצות לעתים קרובות במקומות מרוחקים או משובצים (למשל, בתוך גשר בטון, בקומת המפעל, מתחת לאדמה בכרמים), גישה פיזית לפתרון בעיות מוגבלת. כתוצאה מכך, EMC חייב להיות מתוכנן לתוך הצומת והרשת מההתחלה. כשל ב-EMC יכול להוביל לנתונים החיישן האבודים, התרעות, צריכת החשמל מוגברת מ-Retranstranstranstranstranstranss, וכן יישומים מבניים, כמו ניטור אירועים סביבתיים או דליפות.

מקורות EMI ב-WiFiual Sensor Networks

כדי לעצב ביעילות את היתרונות של EMC נגד חומרים, מהנדסים חייבים לזהות תחילה את המקורות הנפוצים של EMI כי WSN Nodes פנים.

מקורות חיצוניים

  • (FLT:0)Radio Frequency Interference (RFI): ההרחבה הראשונה והאותות של ערוצים אחרים ממכשירים אלחוטיים הפועלים באותן להקות תדר.לדוגמה, Zigbee (2.4 GHz) לעתים קרובות coexists עם Wi-Fi ו- Bluetooth, המוביל להתנגשות חפיסות ו-Retries.
  • (FLT:0)Electromagnetic Pulse (EMP) ו Transients:FLT:1 Switching אירועים במנועים תעשייתיים, ממסרים, ומניעים יוצרים ספיגות בעלות צמיחה מהירה, אשר מתמזגות לתוך כריית חיישן ולוחות מעגלים.
  • (FLT:0)Power Line Noise: 1FLT) ניתן להשפיע על צמתים המופעלים על סוללות כאשר הם מוצבים ליד קווי AC בעלי מתח גבוה או מפגעים סולאריים, אשר מקרינה שדות חשמליים מגנטיים חזקים.
  • (ב) ⁇ :0) ,אורינג סורגים: 1FLT:1 מתקני WSN בחוץ פגיעים למתקפות ברקים עקיפות שגורמות לזרמים גדולים בלולאות קרקעיות ומזין אנטנה.

מקורות פנימיים

  • (FLT:0) מכושף רגאולטורים:FLT:1 Buck או ממירים נהגו להעלות את מתח הסוללה (למשל, מ-1.2 V ל-3.3 V) לייצר רעש מעבר גבוה שיכול להגיע לגמר חזית RF.
  • (FLT:0)Digital Logiceur:FLT:1 מיקרובקר, ADCs, ואוטובוסים זיכרון מייצרים הרמוניות שעון שעלולות ליפול לתוך רצועת תדר התפעול של הרדיו.
  • (ב) אנטנה אימתה: אנטלה 1:0) אנטנות תואמות לעניים גורמת לכוח משתקף שיוצר קרינה משותפת, הגדלת פליטות וצמצום החסינות.

שיקולים מרכזיים עבור EMC

אסטרטגיית עיצוב EMC חזקה עבור WSNs משלבת שכבות מרובות של אמצעי נגד, מבחירת רכיב ועד הסתגלות פרוטוקול.התתת משנה הבאה מפרטת את הטכניקות המשפיעות ביותר.

1. תדירות בחירה וניהול Spectrum Management

בחירת הלהקה הנכונה היא קו ההגנה הראשון נגד EMI. להקות ISM (למשל, 868/915 MHz באירופה/צפון אמריקה, 2.4 GHz ברחבי העולם) פופולריים עבור WSNs עקב פעולה ללא רישיון, אבל הם גם צפופים.

  • (FLT:0) להקות תת-GHz:FearLT:1 433 MHz, 868 MHz (EU), או 915 MHz (US) מציעים חדירה טובה יותר דרך קירות וצמחייה, ובדרך כלל יש רצפות רעש נמוכות יותר מאשר הלהקה של 2.4 GHz.
  • (FLT:0) תדירות דינמי הגרף:FLT:1 פרוטוקולים כמו IEEE 802.15.4e (TSCH) מאפשרים צמתים להזדח על פני ערוצים, באופן אוטומטי להימנע מאלה עם הפרעה גבוהה.
  • (ב) ,0) להאזין לפני הדיבור (LBT): ספקטרום 1 (spectrum sensing) לפני השידור מקטין התנגשות עם מכשירים אחרים שחולקים את הערוץ.

דוגמה מעשית: בחקלאות חכמה WSN פועל ב-2.4 GHz ליד נקודת גישה Wi-Fi, יישום ערוץ שחור ותדירות הפחתת שיעורי השגיאה של החבילה מ- 35% ל-5%.

טכניקת מגן ושמירה

מכלול פיזי של שדות אלקטרומגנטיים הוא חיוני עבור חסינות והן בקרת פליטות.

  • (FLT:0) הגנה מפני ביטחון: FLT:1 השתמש בתיעים מוליכים (אלמינום, נחושת או פלסטיק מעשי) עם קרקע המטוס הקרקעי של הצומת.
  • (FLT:0) הגנה מקומית על רכיבים רגישים:FLT:1 , מגבר RF ושפל יש לבודד מעיגולים דיגיטליים באמצעות מגיני מחיצה או פחיות ברמת PCB.
  • (FLT:0)Proper Grounding: FLT:1 יישם מטוס קרקע מוצק על ה- PCB כדי לספק נתיב החזרה להגדרה נמוכה ולצמצם את שטח הלולאה בנפרד, אנלוגי, דיגיטלי ומטוסי קרקע RF, המחובר בנקודה אחת (star Grounding) כדי להימנע מלעבור לולאות קרקעיות.
  • (ב) אם החיישן משתמש בכבלים חיצוניים (למשל, עבור פאנל סולארי, אנטנה חיצונית או חיישנים מחווטים), השתמש בזוגות מעוותים ומקרקע את המגן בקצה אחד כדי למנוע לולאות קרקעיות.

פרוטוקולי תקשורת Robust עם מודעות EMC

גם עם עיצוב חומרה מעולה, EMI עדיין יכול משחית חבילות.הערימה של הפרוטוקול חייב להיות גמיש:

  • (FLT:0)Error Detection andתיקון: FLT:1 השתמש בבדיקות מחזוריות (CRC-16 או CRC-32) יחד עם קודים מתקדמים של שגיאות (למשל, Hamming, Reed-Solomon) כדי להתאושש מנקודות bits שנגרמו על ידי ספייק רעש.
  • (FLT:0) לבקשה חוזרת של Revismatic (ARQ): ibph:1 מנגנוני אישור וניתוק מחדש עם ספירות retryable.
  • שיעור הנתונים:0 (FLT:1Build) Some Transceivers (למשל, Texas Instruments CC1200) תומך בהסתגלות של שיעור דינמי.
  • (FLT:0)Time-slotted Communications: פרוטוקולים כמו TSCH (ערוץ הזמן-Slotted Channel Hopping) להקצות חריצים זמניים וערוצים ייעודיים, כמעט ביטול התנגשות חבילות וצמצום הרגישות של EMI.

עיצוב מעגלי-הלב עבור EMC

פריסת PCB ובחירת הרכיב ממלאת תפקיד מכריע בהשגת תאימות EMC ללא מחסנים יקרים.

  • (FLT:0) מחיפי כפיים:FreaLT:1 , Place 100 nF קרמיקה capacitors קרוב למערך החשמל של כל IC, עם קיבול גדול יותר (10 μF עד 100 מיקרוF) סמוך.
  • (ב) ,0) ,FLT:1 השתמש ferrite beads על אספקת חשמל ועל קווי I / O (למשל, ממשקי חיישן) כדי להעצים את EMI מעל 30 MHz.
  • (ב) ⁇ :0 (החליפה:0) ,(ה) ,(ה) ,(ה) ,0) ,(הההתמונים על קלטי חיישן אנלוגיים כדי למנוע איסוף RF מהפיכה ל- ADC.
  • (FLT:0)Layer ערימה-up: FLT:1 על שבבים מרוב שכבות, השתמש במטוס קרקע ייעודי סמוך לשכבת האות העליונה, ולהימנע משבטים או פערים צרים ארוכים במטוס הקרקע שיכול לפעול כמו אנטנה מזל.
  • (FLT:0)Circuit Topology:FLT:1 השתמש אות שונה עבור עקבות חיישן ארוך (למשל, I2C או SPI על זוגות מעוותים) כדי לבטל את ה-Mode EMI משותף.

5. אנטנה שיקולים

האנטנה היא המרכיב הרגיש ביותר מבחינה EMI בצומת WSN. עיצוב אנטנה עני יכול להפיג את החסינות והפליטה.

  • (FLT:0) הטמעת רשת: 1FLT ( 1FLT) השתמש ב- ⁇ -network או L-network כדי להתאים את האנטנה לפלט של הטרנזיביר (בדרך כלל 50 ⁇ ).
  • (FLT:0) Antenna Location:FLT:1 שמור אנטנה הרחק ממטוסי קרקע, מחצני מתכת, וצלילים דיגיטליים מהירים. עבור אנטנות PCB (למשל, משוחררים מ-F), להבטיח כי הנקה הקרקעית נשמרת כהנחיות יצרן.
  • (FLT:0)Baluns: 1FLT אם באמצעות נמל אנטנה שונה, כולל balun (מאוזן-to-un מאוזן) כדי לדכא זרמים נפוצים אשר אחרת יקרינה מן הכבלים או הלוח.
  • (FLT:0) אי-השמדה: 1 (FLT:1) בסביבות דחיסה גבוהה, באמצעות שתי אנטנה עם מתג מגוון יכול לשפר את האמינות הקישור על ידי בחירת האנטנה עם ההתערבות הפחותה.

ניהול חשמל ו-EMC

WSN nodes הם בדרך כלל מופעל סוללות, ו מעגלי ניהול כוח יכולים להיות מקורות של עיצוב EMI. Careful הוא הכרחי:

  • (FLT:0)Low-EMI DC-DC ממירים:03FLT) 1 בוחרים להחליף הרגולטורים עם מודולציה פרוספקטרום להפיץ החלפת רעש על פני טווח תדר רחב יותר, צמצום פליטות השיא.
  • (FLT:0) הרגולטורים של RF:Felo:1 השתמש ב-LDO נמוך (רגולטור טיפת נמוך) כדי לכפות את סעיף RF, מסלק אותו מניתוח המעבר רועש המשמש ללוגיקה דיגיטלית.
  • (ב) ,0) מצב רוח של חליל: 1 במהלך השינה, ניתוק היקפי באמצעות מבוי חשמל כדי למזער רעש דיגיטלי שיכול להיות משותף למקלט ההתעוררות של הרדיו.
  • (FLT:0Battery decoupling: FIRLT:1) גדול טנטלום או אלומיניום פולי capacitor ( ⁇ 100 μF) בקלט הסוללה יחד עם קיבול קטן קרמיקה עוזר לספוג וריאציות של סוללת מופחתת ולהפחית את פליטות שבוצעו.

בדיקה והתאמה: ממעבדה לשדה

עיצוב EMC אינו שלם ללא אימות.בדיקה צריכה לעקוב אחר סטנדרטים מבוססים כדי להבטיח הן את הביצועים הרדיאליים והן המעודכנים.

בדיקות Emissions

(ב) ב-Anechoic Cell או באתר פתוח-area test (OATS), המדידות של פליטות קורנות (למשל הרץ:0FCC Part 15uaFLT:1 או FLT:2CISPR 22FLT 3), וודא כי הצומת אינו פולט מעל גבולות מוגדרים.

בדיקות משמעת

  • (FLT:0)Radiated חסינות: 1FLT) להחליף את האנטנה עם עומס דומיה לחשוף את הצומת לשדה RF מודולה (למשל, 3 V /m מ 80 MHz עד 2.7 GHz ל- IEC 61000-4-3).הצומת חייב לשמור על תקשורת עם שיעור שגיאות חפיסות שצוין.
  • (FLT:0) סודיות: 1FLT 1 , הזרקת זרמים נפוצים על חשמל ו- I / O כבלים באמצעות רשתות הפיכה / decoupling (CDNs) ל- IEC 61000-4-6-6.
  • בדיקה אחרונה ב-6 ביולי 2010. ^ "0.7.17.17.10.17.17.26.17.17.17.17.17.17.17.17.17.17.17.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.

המונחים: path

(ב) בהתאם לשוק היעד, עמידה ב-FLT:0.10.10.10.10.1 (ארה"ב), קונסול:2CE (EN 300 328/ EN 301 489)FLT 3 (אירופה), או ההרחבה של FLT:4AS/NZS 4268FLT:5 (אוסטרליה) היא חובה לבצע בדיקות מוקדם בעיצוב יכול לחסוך זמן רב לאחר מכן.

מחקר מקרה: WSN תעשייתי בסביבה גבוהה

שקול WSN פרוס בתוך מיכל פלדה כדי לפקח על טמפרטורה ו רטט.הסביבה מכיל שפע קשת, כוננים תדר משתנה (VFDs), וחוםים עתים בעוצמה גבוהה סבל 75% אובדן החבילה בתוך 10 מטרים של מדרגות גילוח.

  • מעבר מ-2.4 GHz עד 868 MHz (sub-GHz) כדי לנצל צפיפות רעש נמוכה יותר.
  • הוספת מתחם התנהגותי עם קלטת נחושת מגן ומקרקע למבנה פלדה.
  • באמצעות פרוטוקול עם תדירות הפחתת מעל 50 ערוצים, שחורק אלה המשמשים צמח Wi-Fi הסמוך.
  • יישום מסנן פסים הקדמי-קצה כדי לדחות את ה-FD VFD הרמוניות.

לאחר שינויים אלה, שיעור השגיאה של החבילה ירד מתחת ל-1%, וחיי הסוללה השתפרו בגלל שנדרשו פחות רנסנסרים.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

הנוף EMC עבור WSNs מתפתח.כמה מגמות מעצבות עיצובים עתידיים:

  • (FLT:0)Massive MIMO ו- Beamforming: ההרחבה של ההרחבה 5G ורשתות עתידיות משתמשים ב- beamforming כדי להפחית את ההתערבות, אבל נקודות WSN חייבות להיות תואמות.
  • (FLT:0)אנרגיה קצירת WSNs:cioFLT:1 Nodes כי קציר אנרגיה מכוננת (סולר, תרמי, רטט) לעתים קרובות משלבים המרתרים אשר מגבירים את EMI. High-יעילות גבוהה, מעגלים של כוח נמוך-EMI הם אזור מחקר פעיל.
  • (FLT:0) Software-Defined Radio (SDR) עבור WSNs:BuildFLT 1 SDR מאפשר עיבוד דינמי של Modulation ו- רוחב פס, המאפשר אופטימיזציה בזמן אמת EMC. עם זאת, ננדים SDR הם מורכבים יותר ועוצמה.
  • (FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית (AI) עבור Spectrum Management:FLT ( 1 Machine Learningאלגוריתמים יכולים לחזות דפוסים של הפרעות ולהתאים פרמטרים (ערוץ, כוח, קצב נתונים) כדי לשמור על איכות הקישור תוך צמצום פליטות.

מסקנה

(העיצוב תאימות אלקטרומגנטית ברשתות חיישן אלחוטי הוא משימה הנדסית רב-פנים הדורשת תשומת לב בכל רמה: מבחירה של להקה תדר ואנטנה, באמצעות עיצוב קפדני של PCB ופרוטוקול, לבדיקות ולציות מקיפים.על ידי טיפול ב-EMC כפרמטר עיצוב ליבה ולא לאחר מחשבה, מהנדסים יכולים לבנות WSNs המספקים ניתוח אמין, נמוך כוח אפילו בסביבות האלקטרומגנטיות ביותר.