Использование Fsk в беспроводных сенсорных сетях для мониторинга качества воздуха в городах

Загрязнение воздуха в городах является одной из самых насущных экологических проблем 21-го века, способствуя миллионам преждевременных смертей ежегодно и напрягая системы здравоохранения во всем мире. Для борьбы с этим города все чаще развертывают беспроводные сенсорные сети (WSN), которые контролируют ключевые загрязнители, такие как диоксид азота (NO _]2 ), твердые частицы (PM _2,5 10 _{, озон наземного уровня (O 3 ) и окись углерода (CO) в режиме реального времени. Успех этих сетей зависит от надежности, энергоэффективности и экономической эффективности базовой коммуникационной технологии. Среди многих доступных схем модуляции, Frequency Shift Keying (FSK) оказался рабочей лошадкой для мониторинга качества воздуха в городах WSNs, предлагая сочетание надежности и простоты, что делает его идеальным выбором для плотных, подверженных помехам городских сред.}

Понимание ключа сдвига частоты (FSK)

Ключи сдвига частоты - это метод цифровой модуляции, в котором несущая частота смещается между двумя (или более) дискретными значениями для представления двоичных данных. В его простейшей форме - двоичной FSK (BFSK) - логическая & #8216; 1 & #8217; передается на одной частоте (частота метки) и логическая & #8216; 0 & #8217; на другой (частота пространства). Приемник обнаруживает, какая частота присутствует в течение каждого периода символа, декодируя оригинальный цифровой поток. FSK является формой частотной модуляции (FM) и наследует многие преимущества FM & #8217, такие как неотъемлемый иммунитет к амплитуде шума и способность использовать нелинейные усилители, которые являются высокоэффективными.

Типы FSK, используемые в WSN

Хотя BFSK является наиболее распространенным, для повышения спектральной эффективности и пропускной способности данных было разработано несколько вариантов:

• Бинарный FSK (BFSK): Использует две частоты; простая, надежная, но спектрально неэффективная для высоких скоростей передачи данных.
• Множественная частота FSK (M-FSK): Использует более двух частот (например, 4-FSK, 8-FSK) для передачи нескольких битов на символ, увеличивая скорость передачи данных за счет сложности приемника и требований отношения сигнал/шум (SNR).
• Гауссова минимальная смена ключей (GMSK): Форма непрерывного фазного FSK с гауссовским фильтром, применяемым к сигналу базовой полосы. Она производит компактный спектр и используется в GSM и Bluetooth. В маломощных WSN GMSK предлагает отличные компромиссы между эффективностью полосы пропускания и энергопотреблением.
• Минимальная ключизация сдвига (MSK): специальный случай FSK, где интервал частот составляет ровно половину битовой скорости, что позволяет осуществлять ортогональную сигнализацию и постоянную оболочку, что позволяет без искажений усиливать нелинейные частоты.

Для городских датчиков качества воздуха, которые обычно передают небольшие пакеты данных (например, идентификатор датчика, временную метку и концентрации загрязняющих веществ) с интервалами от минут до часов, BFSK или GMSK часто являются оптимальными, балансирующими простоту, мощность и диапазон.

Почему ФСК выше других схем модуляции?

В шумной электромагнитной среде города выбор модуляции имеет решающее значение. Амплитудная кнопка переключения передач (ASK) и кнопка включения (OOK) просты, но уязвимы для помех от общих источников, таких как зажигания транспортных средств, линии электропередачи и беспроводные передатчики. Кнопка переключения передач (PSK), хотя и эффективна, требует более сложных и энергоемких приемников. FSK занимает сладкое место:

• Постоянная оболочка позволяет использовать высокоэффективные усилители класса C или D, сводя к минимуму расход энергии на датчиках с батарейным питанием.
• Неотрицание внутреннего шума , поскольку информация переносится по частоте, а не по амплитуде, что делает ее устойчивой к затуханию и импульсивному шуму.
• Зрелые, недорогие интегральные схемы, такие как CC1101 (Texas Instruments) или семейство Semtech SX127x, сочетают FSK с режимом LoRa, что дает разработчикам гибкость.

Преимущества FSK в беспроводных сенсорных сетях для мониторинга качества воздуха

Развертывание общегородской системы мониторинга качества воздуха накладывает строгие ограничения: датчики должны работать в течение многих лет на одной батарее, надежно общаться по улицам и зданиям и оставаться достаточно доступными для масштабирования до сотен или тысяч узлов.

Надежность во враждебной городской среде

Города изобилуют радиочастотными помехами от Wi-Fi, Bluetooth, беспроводных телефонов и даже промышленного оборудования. Кодирование частотной области FSK’ гарантирует, что амплитуды, вызванные угасанием или помехами, напрямую не повреждают данные. Кроме того, приемники FSK могут использовать частотные дискриминаторы или фазовые петли (PLL), которые менее чувствительны к внезапным отключениям сигналов, чем детекторы оболочек, используемые для ASK. Полевые исследования, такие как развертывание датчиков на основе FSK в сети мониторинга качества воздуха в Барселоне’, продемонстрировали коэффициенты доставки пакетов, превышающие 95% даже в плотных районах центра города.

Низкое потребление энергии

Типичный узел датчика качества воздуха потребляет около 50-100 мВт во время активного зондирования и передачи. Большая часть энергии расходуется в радиопередатчике при отправке данных. Передатчики FSK могут работать в режиме лопастей с рабочим циклом менее 1%, что дополнительно сокращает среднюю мощность. Постоянный характер FSK позволяет использовать нелинейные усилители мощности, которые достигают эффективности выше 70%, по сравнению с 30-40% для линейных усилителей, требуемых PSK или QAM. Это напрямую приводит к увеличению срока службы батареи - часто 3-5 лет с использованием стандартного аккумуляторного блока AA - снижая затраты на техническое обслуживание для городских агентств.

Эффективность затрат

Модемы FSK являются одними из самых недорогих беспроводных модулей. Однокристальный приемопередатчик, интегрирующий модуляцию / демодулирование FSK, может стоить менее 2 долларов США в объеме. Простота схемы также снижает затраты на проектирование и сертификацию. Кроме того, надежность FSK & #8217s означает, что сетевые планировщики могут размещать узлы дальше друг от друга или использовать меньше повторителей, снижая общую стоимость владения. Для муниципалитетов с ограниченным бюджетом это решающее преимущество перед более экзотическими схемами модуляции.

Длинный диапазон и городское распространение

Сигналы FSK менее подвержены воздействию потери пути и теней, чем многие другие методы модуляции. Sub-GHz FSK (например, 868 МГц в Европе, 915 МГц в Северной Америке) предлагает отличное проникновение в здание и производительность вне прямой видимости. При соответствующей конструкции антенны и бюджетах подключения достижимы типичные диапазоны 1-2 км в городских условиях и до 10 км на открытых площадках. Это позволяет одному шлюзу покрывать несколько городских блоков, значительно упрощая развертывание инфраструктуры.

Внедрение в городские системы мониторинга качества воздуха

Сквозная городская система мониторинга качества воздуха на основе WSN, оснащенная FSK, включает в себя несколько уровней: узлы датчиков, сеть связи, шлюзы агрегации данных, облачную аналитику и платформы визуализации.

Мониторинг сенсорных узлов и загрязнителей

Каждый узел датчика обычно содержит один или несколько газовых датчиков (электрохимических, оксида металла или оптических), счетчик твердых частиц (лазерное рассеяние или гравиметрическое), датчик температуры / влажности для коррекции, микроконтроллер и приемопередатчик FSK. Общие загрязнители и их типичные экономически эффективные технологии зондирования включают:

• NO₂ — Электрохимические ячейки, диапазон 0—200 ppb, точность ±5 ppb.
• PM_2.5 — счётчики частиц на основе лазера, диапазон 0—1000 мкг/м3, точность ±10%.
• O₃ — датчики оксида металла, диапазон 0—1000 ppb.
• CO — электрохимические датчики, диапазон 0—100 ppm.
• SO₂ — электрохимические датчики для областей вблизи промышленных источников.