Kentsel hava kirliliği 21. yüzyılın en acil çevresel zorluklarından biridir, yıllık milyonlarca erken ölüme katkıda bulunur ve dünya çapında sağlık sistemlerini bozar.) ve PM)[Düzücükler, toprak seviyesindekiler (NO)
Frekans Değiştirilmesini Anlama (FSK)
Frekans Değiştirilmesi, taşıyıcı frekansının iki (veya daha fazla) ayrı değer arasında değiştiği dijital bir modülasyon tekniğidir. En basit şekilde -binary FSK (BFSK) - mantıksal & #8216;1’ bir frekans (örneğin, frekans) ve birçok FM’ başka bir deyişle, frekansta, her bir sembolün frekansta mevcut olduğunu tespit eder.
FSK türleri WSNs'te kullanılır
BFSK en yaygın olmasına rağmen, çeşitli varyantlar, spektral verimliliğini ve verileri tartışılmak için geliştirildi:
- [FONT=0)Binary FSK (BFSK))[Döneticileri kullanın; basit, sağlam, ama yüksek veri oranları için verimli.
- [FONT:0) Çok fazla FSK (M-FSK))[P.)[P., 4-FSK, 8-FSK) alıcı karmaşıklığı ve sinyal-to-noise oranının maliyetine çok fazla bilgi vermek için.
- [FONT=0)Gaussian Minimum Shift Anahtarlama (GMSK))[Gaussian Minimum Değiştirilmiş Bir Netleme (GMSK)[FONTSK)[Dönetici verimliliği ve güç tüketimi arasında mükemmel bir ticaret-off sunuyor.
- [FONT=0)Minimum Shift Keying (MSK))[değiştir | kaynağı değiştir] FSK'nın tam olarak yüzde yarısı, izin veren veya sürekli zarf, bu da doğrusal olmayan amplifikasyonun bozulmadan daha basitleştirilmesine izin verir.
Kentsel hava kalitesi sensörleri için - bu genellikle küçük veri paketlerini iletir (örneğin, sensör ID, zaman damgası ve kirletici konsantrasyonlar) birkaç dakikadan saatlerce değişen aralıklarla -BFSK veya GMSK genellikle en uygun, basitlik, güç ve aralıktır.
FSK Neden Diğer Modulation Schemes?
Bir şehrin gürültülü elektromanyetik ortamında, modulation seçimi kritik. Amplitude Shift Keying (ASK) ve On-Off Keying (OOK), araç ateşlemeleri, güç hatları ve kablosuz vericiler gibi ortak kaynaklardan müdahale etmek için basit ama savunmasızdır.
- [FONT=0)Constant zarf yüksek verimli Sınıf C veya D yükselticilerinin, akü-işlem sensörlerine harcanan gücü azaltın.
- [FONT:0)Inherent gürültü reddedilmesi[[Dönetici: 1) Çünkü bilgi frekansında yapılır, amplitüd ve dürtüsel gürültüyü rahatsız etmek için dirençli hale getirir.
- [FONT:0]Mature, düşük maliyetli bütünleşik devreler [DÜT:1] veya Semtech SX127x ailesi, FSK'yı LoRa modunda birleştirir, geliştiriciler esnekliği sağlar.
FSK'nın Kablosuz Sensör Ağlarında Avantajları Hava Kalite İzleme
Hava kalitesi izleme için bir şehir çapında WSN'i işe almak zor kısıtlamalar getiriyor: sensörler yıllarca tek bir batarya üzerinde çalışmalı, sokaklarda ve binalarda güvenilir iletişim kurmalı ve bu talepleri her birine yeterince uygun kalacaktır. FSK adreslerini her biri.
Hostile Urban Environments'te Yenidenlik
Şehirler Wi-Fi, Bluetooth, kablosuz telefonlar ve hatta endüstriyel makinelerle tehdit ediyor. FSK’ frekans-domain kodlaması ASK'nın neden olduğu veya müdahalenin doğrudan yanlış anlamadığı zarf dedektörlerinden daha az hassastır. FSK alıcıları, frekans ayrımcıları veya fazları çalıştırılabilir (PLLs)
Düşük Güç Tüketimi
Tipik bir hava kalitesi sensörü, aktif algılama ve iletim sırasında 50-100 mW'yi tüketemez. Enerjinin çoğu, veri göndermede radyo vericisinde harcanır. FSK vericiler için% 30-40'ı, PSK veya QAM tarafından gerekli olan sabit kuvvet döngüsü ile çalıştırabilir.Bu doğrudan ortalama gücü azaltır - 3-5 yıl boyunca standart bir AA batarya kullanarak bakım maliyetlerini azaltır - şehir için 30-40'a kıyasla.
Maliyet-Effectiveness
FSK modemler mevcut en ucuz kablosuz modüller arasındadır. Tek bir çip transceiver bütünleştirme FSK modulation/demodulation, toplam mülk maliyetinin 2'si altında maliyetle azaltılabilir.Ayrıca, bu, daha egzotik modulation ve sertifikasyon maliyetlerinden de belirleyici bir avantajdır.
Uzun Süre ve Şehirsel İstisna
FSK sinyalleri, diğer birçok modülasyon tekniğinden daha az verim ve gölgelendirme etkilerini daha az hassastır. Sub-GHz FSK (örneğin, Avrupa'daki 868 MHz, Kuzey Amerika'da 915 MHz) mükemmel bir bina penetrasyonu ve doğrusal olmayan performans sunar.
Kentsel Hava Kalite İzleme Sistemlerinde Uygulama
FSK'lı WSN'lere dayanan son derece kentsel hava kalitesi izleme sistemi birkaç katman içeriyor: sensör düğümleri, bir iletişim ağı, veri aggregasyon ağları, bulut analitik ve görselleştirme platformları.
Sensör Nodes ve Kirilants Monitored
Her sensör düğüm tipik olarak bir veya daha fazla gaz sensörleri (örneğin, metal oksit veya optik), katılımcı madde sayacı (kıtıl ya da gravimetrik), bir sıcaklık / presilite sensörü, bir mikro kontrol cihazı ve bir FSK transceiver. Common kirleticileri ve tipik maliyet-tamam teknolojileri içerir:
- [FONT:0)NO[DÜT:1]2) - Elektrokimyasal hücreler, 0-200 ppb, doğruluk ±5 ppb.
- [FONT:0]PM2.5 ) - Lazer tabanlı parçacık sayacı, 0-1000 μg/m3, doğruluk ±10%.
- [FONT:0)O[DÜT:1]3) - Metal-oksik sensörler, 0-1000 ppb.
- [FONT:0)CO[DÜT:1] – Elektrokimyasal sensörler, 0-100 ppm.
- [FONT:0]SO[DÜT:1]2) - Endüstri kaynaklarına yakın alanlarda elektrokimyasal sensörler.
Mikrokontroller, programlanmış aralıklarda sensör değerlerini okur (örneğin, her 15 dakika), verileri kısa bir çerçeveye (tipik olarak 20-40 taneleri) paketler ve FSK radyosunu en yakın ağ geçidine iletmeye çalışıyor.
Network Topology and Data Routing
Şehir hava kalitesi için en yaygın topoloji WSNs bir yıldız yıldız yıldız yıldız yıldız yıldız yıldız yıldız yıldızdır - yıldız veya küme-ağaç yapısı. Sensör düğümleri doğrudan yerel bir ağ geçidi ile iletişim kurar (star topoloji) FSK kullanarak en üst düzey bir ağ geçidi genişletilebilir ve çatıya monte edilir - örneğin, güç tüketimi ve karmaşıklığı artırır.For example, London subFLT:
Data Aggregation and Backhaul
FSK tabanlı sistemlerde geçitler genellikle daha yüksek bant genişliği geri teul (örneğin, 4G/5G hücresel veya fiber) bulut platformlarına agred edilen verileri bulut platformlarına yüklemesi için, MQTT veya CoAP gibi standart protokolleri kullanarak, bir IP backhaul için erişilebilir hale getirmek için.
Vaka Çalışması: Prag'da FSK-Based Network
2021 yılında, Prag şehri, BFSK'yi 868 MHz'de 100 mW ile kullanan 200 hava kalitesi sensörü düğümünü kullandı.Her bir düğüm PM)2.5 ), PM, NO) ile 4 yıl boyunca, düşük seviyeli trafik dağıtım noktaları ve CO ile ilgili olarak, düşük seviyeli sistemlerde ortalama 3,7 $ 'lık bir artış oranına sahipti.
Meydanlar ve Sınırlar
Avantajlarına rağmen, FSK, bu sınırlamaları anlamamak, sistem mimarlarının sağlam ağları tasarlamak için önemlidir.
Coexisting Kablosuz Sistemlerin Araştırılması
FSK tarafından kullanılan yüksek çözünürlükte ISM grupları bunu [[149/915 MHz ve bazen 2.4 GHz) kalabalıktır. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee ve hatta mikrodalga fırınlar ) (CCA) · ancak bu özellikler protokol karmaşıklığını ve enerji yükünü arttırır.
Sınırlı Veri Oranı
BFSK genellikle veri oranları 1.2 kbps'den 500 kbps'ye kadar alt bantlarda destekler.In sensör verileri için birkaç düzine iletiyi iletme başına gönderir, ancak yüksek frekanslı cihazlar için daha fazla SNR'ye ihtiyaç duyarsa, bazı sistemler PSK veya modülasyona geri döner (OF)
Çok fazla sempati Fading ve Shadowing
Kentsel ortamlar yansımalara, difraksiyona ve radyo dalgalarının saçılmasına neden olur, çok fazla sempatiye yol açıyor. FSK’ frekans ayrımcılığı bazı etkileri hafifletebilir, ancak derinleştirmeler hala paket kaybına neden olabilir. Çeşitlilik teknikleri - birden çok antenler (spati çeşitliliği) veya paketler kullanarak - farklı frekanslarda (frekan çeşitliliği) - yardımcı olabilir ve karmaşıklık sağlar. Alternatif olarak, ağ operatörleri, kapsamın arttırılması için ek ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ geçidi dağıtabilir.
Diğer İletişim Teknolojileri ile entegrasyon
Şehirler akıllı şehir platformlarına doğru geliştikçe, WSNs, LoRaWAN gibi diğer IoT teknolojileri ile birlikte çalışmalıdır, NB-IoT ve 5G. FSK sistemleri genellikle aynı transize adalar olarak çalışır.Bu sayede, esnek çift-mode işlemine izin vermek zorundadır. Örneğin, geç kaliteli ve potansiyel başarısızlık noktaları.
Future Yol ve Gelişen Trendler
FSK'nın kentsel hava kalitesi WSN'lerde evrimi, daha büyük veri kapasitesi, daha uzun batarya hayatı ve ortaya çıkan IoT altyapısıyla sorunsuz bir entegrasyona ihtiyaç duyuyor.
Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) ile entegrasyon
LoRaWAN, yüksek çözünürlükte uyarıları kullanan standart olmayan bir LPWAN teknolojisi, şehir ölçeği IoT için popülerlik kazandı. Ancak FSK, IEEE 802.15.4g (Smart Utility Networks) gibi düşük seviyeli ortamlarda hala avantajları tutabilir.
Makine Öğrenme-Driven Adaptasyon
Future sensör düğümleri, FSK, GMSK ve LoRa arasında dinamik olarak geçiş yapmak için gömülü makine öğrenimi kullanabilir ve gerçek zamanlı kanal koşullarına dayanarak, paket kaybı yükselirse, node daha düşük bir veri oranına düşebilir (daha sağlam) veya farklı bir modülasyona geçiş yapar. Bu bilişsel radyo yaklaşımı hem aralıkları hem de güç korumayı korurken. Araştırma prototipleri, ağ ömrünü %30'a kadar artırabilir.
Enerjinin ve Ultra-Low-Power FSK
Bataryayı tamamen ortadan kaldırmak için, araştırmacılar, uyku modunda 1 μW'den daha az alan ve bir paket göndermek için mikrosanatlı FSK radyoları ile entegre edilir. Yeni transceiver tasarımları, IEEE 802.1200 UWB-IR gibi, naif tabanlı FSK'yi kullanarak, 1 μW'den daha az uyku modunda toplar ve mikrosaniyelerde bir paketle uyanmak için sürekli, bakımsız sensör ağlarını sağlayabilir.
Edge Computing ve Real-Time Analytics
Buluta tüm ham sensör verilerini göndermek yerine, FSK radyoları ile kenar ağ geçidi ön analiz yapabilir - bir hata, anomaly algılama ve olay-zarlama işlemi gibi.Bu, geri dönüş bant genişliğini azaltır ve yanıt süreleri hızlandırabilir. Örneğin, FSK tabanlı bir node bir FSK-duyuşturma ).2.5
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Frekans Değiştirici, düşük güç tüketimi ve düşük donanım maliyetleri ile birlikte, şehirler için yoğun izleme ağları için teorik bir seçim olmaya devam ediyor, FSK tabanlı WSN'ler için sürekli bir şekilde yapılanma uygun bir şekilde, güvenli bir şekilde yapılanlaşma ve enerji hasatı FSK'nın daha akıllı bir şekilde kullanılması için gerekli olan her türlü güvenli bir şekilde devam edecek şekilde, güvenli bir şekildeki arazide yatırım yapmaya devam ediyor.