Безжични мерни системи 1

Transcript

1 6. Безжични мерни системи Безжичниот пренос е единствениот можен начин на пренос во системи каде што објектот се движи или се наоѓа на големо растојание од центарот за мерење. Постојат три типа на мерни системи со безжичен пренос на податоци: 1) дистрибуирани мерни системи со трансмисија на податоци преку целуларните комуникациски мрежи 2) дистрибуирани мерни системи со трансмисија на податоци преку доделени радио канали 3) мерни системи со безжичен пренос на податоци на кратки растојанија преку инфраред или радио линк. За разлика од мобилните мрежи, принципиелно дизајнирани за пренос на аудио сигнали, во кој што преносот на податоци е само една од неколкуте функции, дистрибуираните системи кои користат доделени радио канали се конструирани исклучиво за дигитален пренос на податоци. Системот за радио пренос се состои од предаватели, приемници, група на радиомодеми и мерни единици. Во последно време доста често се користат два стандарди за безжичен пренос на податоци во опсег од 1m до 10m. Едниот, т.н IrDA, е инфраред линк којшто овозможува пренос на брзини до 4Mbps во опсег од 1m. Другиот стандард е т.н Bluetooth којшто работи во фреквентен опсег на 2,45GHz, дизајниран за пренос на податоци во опсег од 10m со брзини до 1Mbps. Овој стандард може да поврзе од два до осум дигитални уреди, формирајќи т.н пикомрежа. 6.1 GSM мобилна мрежа Преносот на говор во првата генерација мобилни системи(1g) била аналогна. Овие системи работеле во фреквентен опсег од 450 до 900 MHz. Денес, главен систем во мобилната телефонија е Global System of Mobile Communication (GSM), комплетно дигитализиран систем (2G) којшто работи во фреквентен опсег од 900 или 1800 MHz. Во GSM системите, дигиталниот пренос на податоци е само една од неколкуте функции на мобилните телефони каде што главната функција е се разбира преносот на говор. Чекор напред во развитокот на мобилната комуникација е имплеменатцијата на GPRS (General Packet Radio Service) во GSM. За да се направи овој дополнителен напредок над основната GSM мрежа било неопходно да се започнат нови сервиси за податочен пренос, исто така требало да се дизајнираат нови модели на мобилни телефони со GPRS подршка. GSM мрежите со GPRS се означени во мобилните комуникациски системи како 2,5G генерација. Имплементацијата на третата генерација (3G) системи која се нарекува UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) работи во фреквентен опсег 1,95MHz и 2,15MHz е голем напредок за безжичниот пренос на податоци. Ова е постигнато како резултат на претпоставените големи брзини на пренос (до 2Mbps) и можноста за комуникација со јавните телефонски мрежи (PSTN). Иако GSM може да се користи за пренос на податоци, максималната податочна брзина, ограничена од параметрите за радио интерфејс обично не ја надминува вредноста од 9,6kbps ако се користи само еден канал. GSM структурата и системот за пренос на податоци е даден на сликата 6.1. Сл.6.1 Структура на GSM систем Безжични мерни системи 1

2 Системот се состои од мобилни станици, базни станици со контролери, систем за комутација и интерфејс со останатите телекомуникациски системи. MS (Mobile Stations) исто така познати како мобилни телефони, се во радио комуникација со базните станици. Се состои од две основни компоненти: MT (Mobile Terminal) и идентификатор на идентитетот на корисникот (SIM). Секој мобилен терминал носи единствен број кој се нарекува IMEI, којшто овозможува идентификација на мобилниот телефон во глобалната мрежа. Системот од базни станици (BSS) се состои од базни станици, инсталирани на столбови или кули и еден контролер на базната станица. Базните станици работат во фреквентен опсег од 900, 1800 или 1900 MHz. Секоја базна станица е опремена со антена, радио приемник, радио предавател, и единица за процесирање на радио сигнали. Секој контролер на базната станица е поврзан со неколку базни станици (обично преку кабел или оптички каабел). Контролерот ги комутира каналите за секоја станица, ја контролира моќноста на мобилните станици, и ги испраќа сигналите во обете насоки помеѓу базните станици и центарот за мобилни системи. Комутацискиот систем се состои од мобилен комутациски систем (MSC) и база на податоци како и неопходен хардвер и софтвер за комуникација со фиксните телефонски мрежи. Базата на податоци содржи информации за локацијата на моменталаната мобилна станица како и податоци неопходни за идентификација на корисникот и авторизација. 6.2 Пренос на податоци кај GSM GSM системот може исто така да се користи и за дигитален пренос на податоци. Овој комплетно дигитализиран систем е дизајниран како за аудио сигнали (говор) така и за дигитален пренос на податоци. За да биде можен дигиталниот пренос на податоци во GSM системите, сите компоненти во системот вклучувајќи ги и мобилните телефони мора да бидат способни за дигитален пренос на податоци. Сликата 6.2 го прикажува блок дијаграмот на типичен мобилен телефон. Сл.6.2 Блок дијаграм на мобилна станица Блок дијаграмот се состои од трансмисиона линија за процесирање на говорот од микрофонот до антената, и приемна линија од антената до корисникот. Покрај функционалните единици, овој блок мора да содржи контролен систем, меморија, единица за приказ, систем за интерфејс за комуникација со екстерните дигитални уреди вклучувајќи компјутери. Блок дијаграмот прикажан на сликата не содржи дополнителни кола што овозможуваат мобилните телефони да содржат дополнителни функции како дигитални камери, GPS приемник, радио приемник, MP3 итн. Во мобилните телефони функцијата на трансмисија на говор (или воопшто на аудио сигналот) се конвертира во електричен сигнал од предавателот. Аналогниот електричен сигнал од предавателот се семплира со фреквенција од 8kHz и конвертира во дигитална форма во 13-битен ADC. ADC конверторите, инсталирани во мобилните телефони се регистри со сукцесивна апроксимација. Излезниот поток на податоци од конверторот е со брзина од 104kbps, којшто потоа поминува преку кодерот на говор во кој се врши компресија и кодирање. Излезниот податочен Безжични мерни системи 2

3 поток на излез од кодерот е со брзина од 22,8kbps. Во следната процесирачка единица, податоците се организираат во пакети и се подготвени за TDMA трансмисија (трансмисија со единечен временски слот). Носечката фреквенција се кодира со дигитален податочен сигнал во GMSK Модулаторот. Засилениот дигитален сигнал со податочна брзина од 270,833 kbps се насочува кон антена разгранувачкиот филтер а потоа се испраќа од антената. времетраењето на едниот бит е 3,692 µ s, што одговара апросимативно на 3,3 периоди на сигналот при носечка фреквенција на сигналот од 900MHz. Во функцијата на прием дојдовниот радио сигнал се засилува во засилувачот, потоа демодулира и отпакува во TDMA пакети. Неотпакуваниот говорен сигнал се декодира и потоа дигиталните податоци се проследуваат до интерфејс системот. Декодираниот говорен сигнал се конвертира со DAC во аналоген сигнал и се репродуцира до корисникот. Класифицирани според способноста на трансмисија на екстерни дигитални податоци, мобилните телефони можат да се поделат во три групи:mt0, MT1 и MT2. MT0 е мобилен телефон без интерфејс за екстерни податоци. Во неговата основна форма тој може да испраќа единствено податоци и кратки пораки. Не може да испраќа било какви податоци кои доаѓаат од друг уред. Пример на ваков телефон е мобилен телефон интегриран со палмтоп. MT1 телефоните можат да испраќаат дигитални податоци. MT1 комуницира со ISDN мрежа преку S интерфејс, но бара одделен уред којшто се нарекува терминален адаптер за комуникација со компјутер. Улогата на терминалниот адаптер е да ја прилагоди комуникацијата на сигналите преку RS232 стандардот на PC со ISDN или мобилниот телефон. MT2 телефоните можат да испраќаат дигитални податоци од компјутер преку RS-232 интерфејс, преку IrDA линк или преку Bluetooth радио линк. Особено важна класификација е испраќањето на дигитални податоци од компјутер кон GSM систем. Еден таков пример е лаптоп PCMCIA картичка која сама по себе функционира како мобилен телефон. Пример за ваква PCMCIA картичка е Нокиа телефонска картичка 2.0 со вградена антена. 6.3 GSM базирани дистрибуирани мерни системи Сликата 6.3 го прикажува блок дијаграмот на еден ваков GSM базиран систем, којшто се состои од дигитални мерни станици и еден центар на системот. Секоја мерна станица е опремена со дигитален инструмент, компјутер и мобилен телефон. Дигиталните инструменти се поврзани со мобилниот телефон преку компјутер. Дигиталните инструменти можат директно да се поврзат со мобилните телефони без да поминуваат низ компјутер (како во пр.) но ова бара специјален интерфејс. Денес, сеуште не е достапен еден ваков стандардизиран интерфејс за директно поврзување на мобилниот телефон со дигиталниот инструмент. Инструментите во системот се поврзани со компјутерот преку стандардни интерфејс како сериски RS-232 интерфејс за дигитален инструмент, или преку IEEE-488 паралелен интерфејс за дигиталните осцилоскопи. Сл.6.3 Блок дијаграм на дистрибуиран мерен систем за пренос на податоци преку GSM мрежа Предноста на посредната улога на компјутерот во дигиталниот пренос на податоци од инструментот кон мобилниот телефон е способноста за обработка на мерните податоци пред да се испратат кон центарот на системот. Испраќањето на дигиталните податоци од компјутерот кон центарот е или преку фиксната телефонска мрежа или преку интернет. Во рамките на мерната станица испраќањето на податоци помеѓу компјутерот и мобилниот телефон е преку електричен кабел, IrDA Линк или преку Bluetooth радио линк. Еден карактеристичен мерен систем се состои од центар и мобилна мерна станица (сл.6.4). Центарот на системот е компјутер којшто е поврзан со фиксната телефонска мрежа преку модем. Безжични мерни системи 3

4 Мерната станица е опремена со дигитален мултиметар поврзан со Toshiba лаптоп преку RS-232 интерфејс. Сл.6.4 GSM базиран мерен систем за пренос на податоци Како мобилен телефон се користи Нокиа телефонска картичка 2,0. центарот на системот работи или во мод на испраќање или во мод на набљудување. Кога е во мод на испраќање центарот може да се поврзе со мерните станици. Еднаш воспоставената комуникација со мерните станици значи дека во центарот се дефинираат мерните параметри како што се мерената големина, бројот на мерења во една серија и периодот на повторување. Потребните мерења се извршуваат од страна на мерната станица а потоа се испраќаат резултатите кон центарот на систeмот. Согласно со задачата којашто е дефинирана во HP VEE софтверот, мерените податоци се зачувуваат во центарот на системот а потоа се претставуваат како функција од време. Графичкото претставување на мерените податоци се извршува после автоматската трансмисија на серијата на резултати од мерењето во MS Excel. Во мод на набљудување центарот на системот чека да се воспостави конекција од мерната станица. Секоја мерна станица може да испрати барање за испраќање на податоци. Согласно со соодветниот алгоритам за работа, мерната станица се поврзува со центарот за испраќање на мерените резулатати во две случаи: 1. Кога испраќањето на резултатите е програмирано (на пр. да се извршува секоја час) 2. Кога дефинираната гранична вредност на мерената големина е прекорачана (аларм состојба) Во следната верзија на дистрибуирнаи мерни системи за пренос на GSM податоци, мултиметарот се заменува со NI DAQCard 6024E, што е всушност PCMCIA мерна картичка што содржи ADC со резолуција од 12бити и максимална брзина на семплирање од 200 ksps. Секој мерен резултат е дво бајтен збор. Испраќањето на податоците се изведува точно и без доцнење за брзини на семплирање до 1600 Sps. Поголеми брзини на семплирање предизвикуваат доцнење во испраќањето на податоци. Во GSM базираните дистрибуирани мерни системи може да се примени и GPRS технологијата. GPRS овозможува комутација на пакети наместо комутација на канали преку интернет. Пакетот со мерениот податок најпрвин се испраќа до мерениот центар. Системот се состои од три мобилни станици и мерен цента којшто е опремен ссо компјутер, тој има интернет пристап како што е покажано на сликата 6.5. Просечната брзина на пренос е 15kbps, додека просечниот период на пренос на податочни пакети од 1000 примероци е просечно една секунда. Сл.6.5 GSM базиран дистрибуиран мерен систем со GPRS пренос на податоци Безжични мерни системи 4

5 Патеката на SMS пораката од компјутерот во мерната станица кон SMS центарот може да се подели на две секции со различни протоколи за испраќање. Првата секција е од терминалниот адаптер до мобилниот телефон. Другата секција е од мобилниот телефон до SMS-C. Во оваа секција, SMS податокот се испраќа во PDU формати. Постојат два PDU формати: 1. SMS тип на прифаќање од мобилниот телефон до SMS-C. 2. SMS тип на испраќање од SMS-C до мобилниот телефон. Блок дијаграмот на GSM базиран мерен систем со SMS податочна трансмисија е прикажан на сликата 6.6. Мерни терминали се Metex М3850 дигиталниот мултиметар во мерната станица и компјутерот во мерниот центар. Мерењата се контролираат од лаптоп поврзан со дигиталниот мултиметар преку RS-232 интерфејс. Параметрите на RS-232 трансмисијата се одредени од дигиталниот сигнал на мултиметарот. Се работи за асинхрон пренос на податоци. Сл.6.6 Блок дијаграм на дистрибуиран мерен систем со GSM пренос на податоци 6.4 Радио канали и радиомодеми Во процесот на испраќање на податоци на растојанија помеѓу 100m и 100km, радио комуникацијата преку доделени канали овозможува алтернатива на комуникациски системи базирани или на жичани (PSTN) или безжични телефонски мрежи. Значајни компоненти на ваквите радиокомуникациски системи се радиомодемите. Радиомодемите се состојат од предавател, приемник и единици за конверзија на сигналот во којшто дигиталните податоци се конвертираат во радио сигнали за испраќање, како и приемни радио сигнали кои се конвертираат во дигитална форма. Некои радиомодеми се напојуваат од периферни трансмисиони единици. Блок дијаграмот на радиомодем е прикажан на сликата 6.7. Доделениот радио фреквентен опсег е во граници од 3kHz до 400GHz. За да биде легално искористен радио фреквентениот опсег за мерни цели, треба да се обезбеди лиценца од релевантна владина агенција, не е потребна лиценца за предаватели со мала потрошувачка на моќност (моќност помала од 20 mw) на фреквенции помали од 800 MHz. Сл.6.7 Блок дијаграм на радиомодем и график на податочниот поток Безжични мерни системи 5

6 6.5 Радиомодеми во мерните системи Мерните системи за пренос на податоци преку радио канали се состојат од центар во кој се собираат и процесираат податоците, и мерни станици кои комуницираат со центарот со помош на радиомодеми. Структурата е прикажана на сликата 6.8. Сл.6.8 Мерен систем со радиомодем и пренос на податоци преку радио канал Во секоја мерна станица е инсталиран радиомодем, на којшто е подесена насочена антена што овозможува намалување на трансмисионата моќност, осетливост на предавателите на интерференција како и трансмисија на сигналот во непосакуваната насока. Но сепак, користењето на радиомодеми може да предивика проблеми како нестабилна конекција или прекини. Едно можно решение за надминување на овој проблем може да се реши како на сл 6.9. Сл.6.9 Радио модем мерен систем со два типа на мерни станици Во системот прикажан на сликата мерната станица 2 се користи за повтторна трансмисија на сигналот. Податоците се испраќаат од мерната станица 4 до центарот. Во обратната насока на испраќање, командите кои се адресирани или до станица 2 или станица 4 се примаат од станица 2 од центарот. Покрај адресата на станицата 2 треба да се додадат и дополнителни информации за пораката што се испраќа, со што се специфицира дали командата што е вклучена во пораката треба да се проследи до станица 2 или да се препрати до станица 4. Оваа разлика го овозможува користениот комуникациски протокол. За разлика од трансмисијата на податоци преку GSM мрежите, параметрите кај радиомодем базираите мрежи како што се носечката фреквенција, типот на модулација, типот на пренос, трансмисиониот протокол не се достапни за надворешните корисници. Исто така, не се појавува доцнење при преносот на податоци од мерната станица до центарот а особено при преносот на командите од центарот до мерената/контролна станица. 6.6 Безжичен пренос на податоци на кратки растојанија IrDA линк Инфраред линк може да се користи наместо обичен кабел, за поврзување на лаптоп со принтер или друг периферен уред, со што се избегнува жичана врска на мобилната опрема. Во технологијата на мерење голема предност на безжичниот линк на кратки растојанија е можноста за користење на сензори за допир за движечки мерни објекти, со безжичен пренос на пдатоци од сензорот до приемникот во мерниот систем. Безжичните линкови кои се нарекуваат IP линкови Безжични мерни системи 6

7 користат инфрацрвени зраци кско преносен медиум. Тие овозможуваат пренос на податоци помеѓу два незавсини уреди, како лаптоп и принтер, на растојание од 1m, кога уредите се во линија на видливост како на сликата. Колото на инфраред линкот се состои од две интегрални кола (IC) како што е покажано на сликата Едно интегрално коло се состои од IR LED диода, приемна фотодиода, и единици за засилување на предавателната и приемната страна. Стандардот за трансмисија на податоците означен како IrDA е прифатен од прозиводителите на хардвер и електронска опрема како IrDA. Компонентите на другите интегрални кола се дигитални кола кои ги кодираат дигиталните сигнали од UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) колото во IrDA стандард, а потоа се декодираат дојдовните IR импулси во UART сигнали. Сл.6.11 Блок дијаграм на IR електронско коло Минималното времетраење на IR импулсот останува да се дефинира за поголеми податочни брзини. Типичното времетраење на IR импулсот во еден IrDA линк е три-шеснаестини од времетраењето на еден бит во UART на компјутер или друг дигитален уред Bluetooth радио линк Bluetooth е стандард којшто работи во фреквентен опсег на 2,45GHz и овозможува трансмисија на податоци со брзини до 1Mbps на растојанија до 10m. Дизајниран за безжична комуникација помеѓу електронските уреди како мобилни телефони, компјутери, принетри, Bluetooth оригинално бил замислен од шведската мобилна компанија Ериксон, во 1998год. Тој бил замислен како дополнување на постоечкиот IrDA линк. Главната разлика помеѓу IrDA и Bluetooth е во тоа што Bluetooth е линк од типот точка-повеќе точки, дизајниран за мрежа до осум уреди, додека IrDA е точка-точка стандард, којшто овозможува размена на податоци единствено помеѓу два уреди. Споредено со IR бранови, радио брановите имаат поголем опсег и овозможуваат полесна сферична пропагација.. Во лабораториски услови, Bluetooth радиобрановите со должина λ = 8 c 3 10 m / s = = 13cm 9 f 2,45 10 Hz пропагираат многу подобро отколку IR брановите со должина 900nm. Опсегот на трансмисија преку Bluetooth линкот е 10m, но може да се зголеми на 100m со зголемување на трансмисионата моќност. Bluetooth работи во фреквентен опсег од 2,402-2,4835 GHz што е во рамките на бесплатниот јавен ISM опсег. Достапноста на овој ISM опсег предизвикува проблем со можни интерференции со останати уреди кои го користат овој ISM опсег а според тоа и потребата од дефинирање заштита од интерференција. Комуникацијата во 2,45 GHz опсег е можна или преку наоѓање дел од опсегот којшто не се користи или преку модулација на поширок спектар. Bluetooth Безжични мерни системи 7

8 мрежата може да подржи до осум уреди, секој од нив функционира како предавател или приемник. Овој тип на мрежа е наречен пикомрежа како што е покажано на сликата Сл.6.12 Пикомрежа добиена со дигитален пренос на податоци со Bluetooth интерфејс Еден уред во пикомрежата се однесува како мастер, додека сите останати единици во мрежата се slaves. Еден Bluetooth уред може да биде master или slave, но во постојната пикомрежа оригиналната единица се однесува како master. Секој уред може да учествува во неколку пикомрежи во истовреме. Уред може да се однесува како мастер единствено во една пикомрежа и како slave во било која друга пикомрежа како на сл Сл.6.13 М1 е мастерот за пикомрежата 1, додека S1 е slave за пикомрежата 1, аналогно и за втората пикомрежа Slave единиците неможат директно да комуницираат туку преку мастерот. На пример на претходната слика комуникацијата помеѓу мобилниот телефон и слушалките оди преку лаптопот, којшто се однесува како мастер на пикомрежата. Предностите на безжичниот пренос се очигледни. Најпрвин, проблемите со стандардизација на споевите и контактите се елиминирани, бидејќи ниту споеви ниту кабли не се потребни кај безжичниот пренос. Друга предност на безжичниот интерфејс е способноста за пренос на податоци од објекти кои се мобилни во опсег на безжичниот интерфејс (10m). На пример со ADC и Bluetooth единица која се додава во температурен сензор, може да се направат контактни мерењата на температура на објект кој се ротира како што е покажано на сликата Сл.6.14 Bluetooth систем којшто овозможува контактни мерења на температурата кај ротирачки објект Безжични мерни системи 8