Zaloguj
Podstawy łączności radiowej, pasma ISM i ich problemy
W tym artykule nie będzie omawiana dokładnie budowa i zasada działania urządzeń radiowych – zagadnienie to wykracza daleko poza tematykę naszego opracowania. Zachęcamy jednak Czytelników do samodzielnego poszerzania swojej wiedzy w tym zakresie, gdyż jest to fascynująca gałąź elektroniki. Nie zmienia to faktu, że pewne zagadnienia z zakresu komunikacji radiowej i tak muszą być wstępnie omówione.
Moduły łączności radiowej można skategoryzować wedle trybu łączności (jednokierunkowa lub dwukierunkowa), pasma, na którym operują i rodzaju użytej modulacji (OOK/ASK, FSK, PSK). Moduły oferujące łączność jednokierunkową są najtańszą opcją, gdyż wyprodukowanie oddzielnie nadajnika i odbiornika kosztuje mniej niż tworzenie bardziej złożonego transceivera, integrującego obie te funkcje. Podstawową wadą tych układów jest brak jakiejkolwiek gwarancji, że odbiornik otrzyma nadaną informację w całości i bez błędów. Takie rozwiązanie jest dobre do dzwonka bezprzewodowego albo prostego termometru zewnętrznego, gdzie odległość między stacją bazową a nadajnikiem wynosi ledwo kilka metrów. Jeśli jednak chcemy przesyłać istotną telemetrię na duże odległości, rozwiązanie takie jest całkowicie niewystarczające. Z tego też powodu będziemy omawiać tylko układy łączności dwukierunkowej, oferujące automatyczne potwierdzenie odbioru pakietu danych i automatyczną retransmisję w razie błędów.
Kolejnym istotnym zagadnieniem jest wybór odpowiedniego pasma komunikacyjnego. Wszystkie dostępne od ręki pasma są skategoryzowane jako pasma ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical – przemysłowe, naukowe, medyczne), niewymagające licencji. Dopuszczalna moc nadajnika ograniczona jest do czterech watów, ale w kontekście łączności radiowej wartość tę wyraża się jako 36 dBm (decybeli względem jednego miliwata). Jest to maksymalna, efektywna, izotropowa moc nadawania (EIRP – Effective Isotropic Radiated Power), obejmująca zarówno moc samego nadajnika, jak i zysk energetyczny anteny kierunkowej względem teoretycznej anteny izotropowej (nadającej we wszystkich kierunkach z tą samą sprawnością). Im większy zysk energetyczny anteny nadawczej, tym mniejsza moc nadajnika jest potrzebna do uzyskania tego samego zasięgu łączności. Wracając do samych pasm ISM – do wyboru jest kilka różnych zakresów częstotliwości, przy czym nie wszystkie są dostępne we wszystkich krajach na świecie. ITU zezwala na używanie pasma 433 MHz w krajach regionu pierwszego, obejmującego Europę, Afrykę, Wspólnotę Niepodległych Państw, Mongolię i Bliski Wschód na zachód od Zatoki Perskiej, łącznie z Irakiem. Innym, dostępnym globalnie pasmem ISM jest pasmo 2,4 GHz. Przedziałów widma w ramach ISM jest oczywiście więcej, ale nie każde jest obecnie wykorzystywane w praktyce. Duża popularność pasma 433 MHz uczyniła je nadmiernie zatłoczonym, a przez to niezbyt praktycznym, jeśli chcemy uzyskać pewną łączność na duże odległości. Podobnie pasmo 2,4 GHz współdzielone jest przez łączność Wi-Fi, Bluetooth i wiele różnych urządzeń komercyjnych, przez co również na nim czasem może być trudno o uzyskanie pewnej łączności.
W komunikacji cyfrowej stosuje się trzy główne rodzaje modulacji, różniące się poziomem złożoności od strony konstrukcyjnej. Najprostszą formą modulacji, stosowaną w najtańszych modułach 433 MHz, jest modulacja ASK, zwana też OOK. Z praktycznego punktu widzenia nadajnik generuje stałą częstotliwość nośną, a strumień bitowy włącza lub wyłącza wyjście tego nadajnika. Innymi słowy, sygnał jest nadawany lub nie, zależnie od tego, jaki stan panuje na wejściu. Odbiornik wykrywa fale na danej częstotliwości nośnej i zmienia stan swojego wyjścia zależnie od obecności tegoż sygnału.
Najprostsze układy tego typu nie oferują żadnej metody kodowania informacji, więc ten obowiązek spada na projektanta. W takiej sytuacji najczęściej stosuje się schemat kodowania Manchester, zaś projektant decyduje o wielkości pakietu, obecności bitów parzystości, sum kontrolnych i tym podobnych elementów poprawiających szansę na odebranie poprawnych danych. Ta forma modulacji ma jeszcze jedną wadę: małą odporność na zakłócenia. Gdy sygnał odbierany jest zbyt słaby, znika w szumach i nie da się go od nich odróżnić. Praktyczna prędkość transmisji jest też ograniczona do maksymalnie stu bitów na sekundę. Z drugiej strony, jeśli zredukujemy szerokość pasma nadajnika i odbiornika do kilkunastu lub kilkudziesięciu herców, co znacznie zwiększy selektywność, a także użyjemy niskiej prędkości nadawania, to w teorii możemy uzyskać ekstremalnie duże zasięgi łączności. Radioamatorzy od lat budują takie układy i osiągają zasięgi nawet kilkuset kilometrów, nadając z mocą liczoną w dziesiątkach miliwatów. W praktyce jednak zaprojektowanie takiego układu i wprowadzenie go na rynek jest wyjątkowo kosztownym przedsięwzięciem ze względu na konieczność certyfikacji każdego układu i modułu nadawczego. Producenci transceiverów biorą te koszty na siebie, wliczając je w cenę pojedynczego modułu – przy produkcji idącej w setki tysięcy sztuk rocznie koszt ten jest pomijalny.
Modulacja FSK polega na nadawaniu sygnału o stałej amplitudzie, którego częstotliwość jest nieznacznie zmieniana zależnie od wartości bitu lub bitów. Układ jest nieco bardziej skomplikowany, ale modulacja FSK – podobnie jak klasyczna FM – jest bardziej odporna na zakłócenia i szumy. Większość modułów rozwiązuje też problem kodowania informacji w pakiety, potwierdzania lub negowania odbioru oraz retransmisji. Poszczególne moduły oferują zróżnicowane maksymalne prędkości transmisji, dla przykładu: moduł RFM12B firmy HopeRF może osiągnąć szybkość wymiany danych na poziomie 115,2 kbps z cyfrowym filtrem i 256 kbps bez niego. Moduł ten nadaje z maksymalną mocą EIRP wynoszącą 7 dBm.
W przypadku modulacji PSK częstotliwość i amplituda nadawania pozostają stałe, a zmieniana jest jedynie faza generowanego sygnału. Zarówno nadajnik, jak i odbiornik, są dużo bardziej skomplikowane, ale sam sygnał okazuje się jeszcze bardziej odporny na zakłócenia, a przez wybranie większej liczby faz pojedynczy symbol może kodować 4, 8 czy 16 różnych wartości, co zwiększa efektywność transmisji – w przypadku tej samej liczby bitów nadajnik pracuje znacznie krócej. Ze względu na większą złożoność, a przez to i cenę, moduły z modulacją PSK są spotykane rzadko, a niewielka korzyść z nieznacznie większego zasięgu, prędkości i tolerancji na zakłócenia czyni je mniej atrakcyjnym wyborem.
Wspomniano o dużym zaśmieceniu pasm 433 MHz i 2,4 GHz.
Pasmo 433 MHz jest używane od kilku dekad przez najróżniejsze urządzenia, od dzwonków bezprzewodowych, pilotów bram garażowych czy termometrów po różnego rodzaju zabawki zdalnie sterowane i własne konstrukcje elektroników amatorów. Proste moduły radiowe na to pasmo są wyjątkowo tanie, ale przez to również nie są one najlepiej zaprojektowane ani zbyt dokładnie zestrojone. Chcąc pracować w tym paśmie, projektant urządzenia powinien rozważyć użycie bardziej zaawansowanego modułu radiowego, który pozwoli automatycznie wybrać najlepszy z dostępnych kanałów w obrębie pasma.
Zaawansowane moduły zazwyczaj mają wskaźnik jakości połączenia bądź poziomu odbieranego sygnału. W przypadku pasma 2,4 GHz sytuacja wygląda podobnie z tą różnicą, że najniższa część spektrum – pokrywająca się z kanałem 0 Wi-Fi – jest najbardziej zaśmiecona, gdyż ten właśnie kanał jest domyślnym ustawieniem we wszystkich dostępnych na rynku urządzeniach Wi-Fi, a na domiar złego ustawienie to rzadko jest zmieniane przez użytkowników. Warto tu wspomnieć, że moduły w rodzaju bardzo popularnego nRF24L01+ firmy Nordic Semiconductor mają więcej kanałów, niż obejmuje dopuszczalna część pasma ISM 2,4 GHz, rozciągająca się w zakresie od 2,4 GHz do 2,5 GHz. Moduł nRF24L01+ oferuje bowiem maksymalną częstotliwość pracy równą 2,525 GHz. Poza wyborem optymalnego kanału można też zredukować prędkość transmisji danych – ma to szczególny sens, gdy przesyłamy niewielką liczbę bajtów, raz na jakiś czas. Wspomniane moduły nRF24L01+ będą ponawiać nadawanie, póki nie odbiorą pakietu ACK zamiast nACK lub póki nie zostanie wyczerpany limit czasu lub powtórzeń. Moduł automatycznie dodaje do pakietu preambułę ułatwiającą synchronizację oraz sumę kontrolną, co pozwala odbiornikowi automatycznie zweryfikować otrzymany pakiet i potwierdzić odbiór.
Najważniejszym aspektem używania modułów radiowych, mającym największy wpływ na zasięg i niezawodność komunikacji, jest antena. Typowe anteny PCB nie oferują zbyt dobrych parametrów, a ponadto są wrażliwe na orientację nadajnika względem odbiornika. Z drugiej strony tworzenie skomplikowanej anteny typu Yagi-Uda dla maksymalizacji zasięgu może mijać się z celem, dodatkowo niepotrzebnie podnosząc koszty. Fotografia 1 pokazuje moduł nRF24L01+, w którym antena PCB została odcięta od układu i zastąpiona prostym dipolem wykonanym z drutu (zdjęcie to pojawiło się już w pierwszej części cyklu). Zakładając, że oba moduły mają anteny o zysku 5,19 dBi (wartość idealna dla prostej anteny ćwierćfalowej), sumaryczny zysk wyniesie +10,38 dB i o tyle wzrośnie nasz budżet łącza, oparty na sumie mocy nadajnika i czułości odbiornika.
Warto by było wiedzieć, jaki budżet łącza jest nam faktycznie potrzebny. Możemy na początek policzyć straty propagacji za pomocą poniższego wzoru:
przy czym dystans i długość fali muszą być wyrażane w tych samych jednostkach. Przy odległości 1 km i częstotliwości nośnej 433 MHz straty propagacji wyniosą około 85,2 dB, a w przypadku 2,4 GHz aż 100 dB. Wartości te są orientacyjne i dotyczą sytuacji, gdy nic nie stoi na drodze między antenami nadajnika i odbiornika. W terenie zabudowanym straty rosną, zwłaszcza w wyższych pasmach częstotliwości. Dla przykładu: straty w budynku biurowym rosną o 30 dB na każde 30 metrów odległości. Biorąc moduły RFM12 i sumując moc nadajnika oraz czułość odbiornika, a także uwzględniając wpływ zewnętrznych anten, zyskujemy łączny budżet ~127 dB, zostawiamy więc sobie niewielki margines. Teoretycznie w przestrzeni biurowej nasze łącze będzie miało zasięg około 120 metrów. Jest to założenie optymistyczne, ale dość realne, jeśli całość jest poprawnie złożona, oprogramowana i ustawiona.
Największy wróg oszczędzania energii
Spoglądając na notę katalogową nRF24L01+, można dojść do wniosku, że układ ten nie jest zbyt energooszczędny. Gdy moduł znajduje się w trybie Power Down, pobiera średnio 900 nA, a w trybie Standby I, gdy obwody nadawcze i odbiorcze jeszcze nie pracują, pobiera 26 μA. To nie wygląda źle. W trybie Standby II, gdy układ szykuje się do inicjalizacji obwodów RF, pobór rośnie do 325 μA, a start głównego oscylatora wymaga aż 400 μA prądu przez 1,5 ms. Gdy układ nadaje z mocą 0 dBm, pobór rośnie do 11,3 mA, a w czasie pracy w roli odbiornika wartość ta dochodzi do 12,6 mA przy prędkości komunikacji 250 kbps. W tym trybie czułość odbiornika wynosi –93 dBm. Przy mocy nadajnika 0 dBm to jest nasz budżet na połączenie przy prędkości 250 kbps. Moc nadawania można podnieść do 4 dBm kosztem poboru prądu, ale możemy zrezygnować z tej zmiany, gdy użyjemy lepszej anteny.
W rzeczywistości średni pobór prądu przez moduł radiowy jest znacząco niższy. Maksymalny prąd pobierany jest tylko w czasie nadawania i odbioru, przez resztę czasu moduły pozostają w stanie uśpienia lub gotowości. Policzmy zatem, jaki będzie średni pobór prądu modułu nRF24L01+ przy założeniu, że chcemy przesłać osiem bajtów informacji raz na sekundę. Użyjemy rozwiązania, które Nordic nazywa Enchanced ShockBurst. Zakładając prędkość 250 kbps, trzy bajty adresu i dwa bajty CRC, pojedynczy pakiet ma 121 bitów, a jego nadanie trwa 484 μs. Po wysłaniu pakietu układ przełącza się w tryb odbioru i oczekuje na pakiet ACK, typowy czas oczekiwania to 500 μs. Jeśli w tym czasie pakiet nie zostanie otrzymany albo otrzymany zostanie pakiet nACK, układ ponawia transmisję. Załóżmy kiepskie warunki radiowe, przez co pakiet musiał zostać nadany cztery razy. Daje nam to 1,936 ms czasu nadawania i 2 ms czasu odbioru. Przez resztę czasu układ pozostaje w stanie Standby I. Średni pobór prądu pokazano w tabeli 1.
Rezultat jest całkiem przyzwoity, niecałe 73 mikroampery średniego poboru prądu przy optymistycznym zasięgu nawet kilometra w idealnych warunkach i około 30 metrów w teście, jaki wykonał twórca modyfikacji z fotografii 1 wewnątrz budynku. Nagle nasz prądożerny moduł okazuje się nie aż taki prądożerny. Należy jednak zaznaczyć, że średni pobór prądu jest niski, ale chwilowy jest znacznie wyższy i jeśli źródło energii ma zbyt duży opór wewnętrzny, napięcie pod tym obciążeniem może nadmiernie spaść, prowadząc do resetu całego urządzenia. Do tego układ nRF24L01+ wymaga napięcia zasilania w zakresie 2,7...3,3 V. Przy zasilaniu z ogniwa litowo-jonowego może mieć sens dodanie wydajnej i energooszczędnej przetwornicy typu Buck. Taka charakterystyka pracy jest jednak typowa dla wielu modułów radiowych, stąd też tak wysokie wartości zalecanej wydajności prądowej zasilacza, które można znaleźć w notach katalogowych.
LoRa, czyli radiolinia dalekiego zasięgu
Oznaczeniem LoRa określa się konkretny sposób modulacji i prowadzenia łączności. Skrót ten pochodzi od angielskich słów Long Range, co oznacza łączność długodystansową. Istnieje też druga nazwa – LoRaWAN – odnosząca się do protokołu łączności sieciowej, głównie między bramką LoRa a układami końcowymi, podczas gdy samo LoRa odnosi się do sprzętowej implementacji mechanizmu łączności radiowej. LoRa wykorzystuje pasma subgigahercowe oraz modulację spread spectrum (rozproszone widmo), by uczynić sygnał bardziej odpornym na zakłócenia i łatwiejszym do oddzielenia od tła. Dzięki temu łączność LoRa może osiągać zasięg do 10...15 km. Rekordowy dystans łączności LoRa wynosi aż 1336 km – łączność udało się nawiązać pomiędzy transponderem statku płynącego u wybrzeża Portugalii a bramką LoRaWAN na Wyspach Kanaryjskich. Zasięgi sieci LoRa są tak duże ze względu na znaczny budżet łącza, wynoszący typowo 150...170 dB. Poza technologią spread spectrum, zwiększającą odporność na zakłócenia, same pakiety danych mają też znaczną redundancję w formie bitów parzystości i bajtów CRC, dzięki czemu odbiornik może z większą łatwością korygować błędy w odbiorze. Niesie to za sobą jeden, negatywny skutek: dłuższy czas transmisji.
Modulacja spread spectrum polega na przypisaniu każdemu kolejnemu symbolowi informacji kilku...kilkunastu kolejnych bitów transmitowanych przez nadajnik. W przeciwieństwie do bardziej tradycyjnych metod transmisji każdy symbol jest w tym przypadku reprezentowany przez odpowiednio wygenerowany sygnał chirp. Stosunek liczby bitów do liczby zakodowanych przez nie symboli nazywany jest współczynnikiem rozproszenia (Spreading Factor – SF). Tabela 2 pokazuje tę zależność w standardzie LoRa, a także uzyskany odstęp sygnału od szumu.
Warto zaznaczyć, że wybrany współczynnik rozproszenia musi być znany zarówno przez nadajnik, jak i odbiornik. Drugim, istotnym parametrem jest współczynnik kodowania (Coding Rate – CR). Wartość ta podaje, ile bitów jest używanych do transmisji informacji, kodowanej przez cztery bity danych. Typowe wartości wynoszą od 4/5 do 4/8. Im więcej bitów korekcyjnych, tym łatwiej odbiornik może skorygować błędy spowodowane zakłóceniami. Jeśli ten parametr ma wartość 4/5, oznacza to, że na każde cztery bity danych dodawany jest jeden bit korekcji. Dla CR=4/8, każde cztery bity danych otrzymują cztery bity korekcyjne, a więc właściwy pakiet danych podwaja swoją objętość. Trzecim parametrem determinującym czas transmisji oraz zasięg jest szerokość pasma nadawania. Im to pasmo jest szersze, tym mniejszy będzie zasięg, ale większa przepustowość. Poszczególne kraje ograniczają maksymalną szerokość pasma w różnym stopniu. Dla Polski maksymalna szerokość pasma przy transmisji LoRa w paśmie 433 MHz nie powinna przekraczać 20 kHz. Znając parametry transmisji, można obliczyć dokładnie czas jej trwania – producenci układów LoRa udostępniają stosowne wzory i tabele w swoich notach katalogowych. Dla przykładu: używając modułu Ra-02 z układem SX1278 firmy Nordic, przy współczynniku rozproszenia równym 12 i CR=4/8, czas transmisji pakietu 8 bajtów wyniesie odpowiednio ~4,8 sekundy dla pasma przenoszenia 15,6 kHz i ~9,6 sekund dla 7,8 kHz. Jeśli zredukujemy SF do wartości 8, uzyskamy odpowiednio 332 ms i 665 ms, kosztem redukcji odstępu sygnału od szumu, a zatem i budżetu połączenia. Układ ów przy maksymalnej mocy nadawania pobiera aż 120 mA. Jeśli transmisja trwa ponad dziewięć sekund, trudno to nazywać energooszczędnością. W takiej sytuacji należy zastanowić się nad zastosowaniem odnawialnego źródła energii, jeśli urządzenie znajduje się w dużej odległości od „cywilizacji”.
Wiemy już zatem, że za duży zasięg i sporą odporność na zakłócenia trzeba zapłacić wysoką cenę z punktu widzenia poboru prądu. Ale tylko przy założeniu nadawania z maksymalną mocą. Co, jeśli tę moc zmniejszymy? Nota SX1278 podaje, że przy mocy 7 dBm układ będzie pobierał już tylko 20 mA.
Tracimy 13 dB z naszego budżetu połączenia, ale zyskujemy sześciokrotną redukcję zapotrzebowania na energię. Jeśli urządzenie nadawcze jest stacjonarne, można rozważyć zastosowanie anteny o dobrej charakterystyce kierunkowej. Antena typu bi-quad, znana z zastosowań w łączności Wi-Fi, oferuje zysk 7...10 dBi, a bardziej złożona antena Yagi-Uda pozwala uzyskać do 15 dBi (zysk takiej anteny zależy od szerokości pasma i liczby elementów).
Fotografia 2 prezentuje trzyelementową antenę Yagi-Uda na pasmo 433 MHz o zysku 3 dBi, a fotografia 3 – antenę zawierającą osiem elementów, dzięki czemu osiąga ona zysk 12 dBi.
Antena paraboliczna daje 20...60 dBi, zależnie od średnicy anteny, dzięki swojej ekstremalnie dużej kierunkowości. Jeśli jednak urządzenie nadawcze musi być małe i/lub się przemieszcza, jesteśmy ograniczeni do kilku typów anten dookólnych. Zazwyczaj stosuje się wtedy proste anteny monopolowe ćwierćfalowe o zysku ok. 2,15 dBi lub półfalowe o zysku 5,15 dBi. Antena o długości 5/8 fali ma największy zysk, około 6,6 dBi, dalsze zwiększanie jej długości redukuje ten zysk bardzo szybko. Anteny tego typu osiągają te teoretyczne wartości tylko wtedy, gdy znajdują się nad płaszczyzną masy o znacznej wielkości, zazwyczaj równej minimum kilku długościom fali. Większy zysk, nawet do 10 dBi, oferuje antena CoCo (Coaxial Colinear), zbudowana z segmentów przewodu współosiowego o długości połowy fali, których przewodniki i ekrany są ze sobą łączone naprzemiennie, jak na rysunku 1. Antena taka ma duże wzmocnienie w płaszczyźnie prostopadłej do samej anteny, ale w pozostałych kierunkach maleje ono dość szybko. Antena CoCo ma duży zysk tylko wtedy, gdy zawiera wiele elementów.
Generalnie rzecz ujmując, anteny dookólne będą wypadać gorzej względem kierunkowych o zbliżonej wielkości lub złożoności. Osobnym zagadnieniem jest dopasowanie impedancji samej anteny do wyjścia modułu radiowego – poszczególne typy anten i różne ich długości osiągają różne impedancje i dobre dopasowanie ich do układu nadajnika jest niezwykle istotne, gdyż w przeciwnym wypadku energia zostanie „odbita” przez antenę z powrotem do układu RF i go uszkodzi. Brak dopasowania prowadzi też do większych strat i gorszej pracy samej anteny.
Innym rozwiązaniem znacznie zwiększającym teoretyczny zasięg łączności LoRa (ale też i łączności z użyciem innych modułów radiowych) jest po prostu użycie wielu modułów tak, by stworzyć sieć typu Mesh na monitorowanym obszarze. Od strony sprzętowej nadal używane są te same moduły, ale oprogramowanie mikrokontrolerów nimi sterujących jest dużo bardziej skomplikowane. Typowym rozwiązaniem jest tworzenie samoorganizującej się sieci, w której każde urządzenie zachowuje w pamięci listę innych urządzeń i najkrótszą drogę do głównego transceivera, czyli bramki. Każde nowe urządzenie nawiązuje łączność z sąsiadami, by poznać swoją lokalizację w sieci i stworzyć listę połączeń. Jeśli jakieś urządzenie zniknie z sieci, sieć się przeorganizuje przy pierwszej próbie nawiązania z nim połączenia. Prymitywniejszą formą takiej sieci jest system, gdzie każde urządzenie po otrzymaniu pakietu odczekuje losowy odstęp czasu dłuższy niż czas transmisji, po czym wysyła ten pakiet ponownie jeden raz. W końcu pakiet taki trafi do bramki. Rozwiązanie tworzące sieć urządzeń będzie oczywiście droższe, ale ma sens, jeśli każdy z węzłów realizuje jakieś zadanie poza funkcjonowaniem tylko w roli routera czy repeatera.
Optymalizacja komunikacji
Moduły radiowe, także LoRa, pobierają spory prąd w trakcie nasłuchu. W przypadku zwykłej łączności FSK czy ASK, pobór prądu w czasie odbioru jest porównywalny do poboru prądu w czasie nadawania. Jeśli mamy zapewnione stałe źródło zasilania, zużycie energii nie stanowi zwykle większego problemu. Jeśli jednak chcemy używać sieci urządzeń zasilanych bateryjnie, to takie rozwiązanie jest absolutnie wykluczone. Zamiast ciągłego nasłuchu urządzenia mogą zsynchronizować swoje zegary, a potem nasłuchiwać tylko co jakiś czas. Dla przykładu: moduł nRF24L01+, nasłuchując tylko przez 10 ms z każdej sekundy, pobierze średnio 149,2 μA. Jeśli jeden cykl nasłuchu będzie miał miejsce co dziesięć sekund, pobór prądu wyniesie średnio 38,6 μA. Dalsze wydłużanie odstępów zbliży nas do średniego poboru prądu w stanie Standby I, czyli 26 μA. Oczywiście możemy całkowicie uśpić układ nRF24L01+, wtedy pobór prądu spada do 900 nA, ale trzeba też uwzględnić czas potrzebny na wybudzenie układu, czyli około 1,5 ms. W tym czasie układ pobiera większy prąd potrzebny na start rezonatora. Tymczasem przejście z trybu Standby I lub II do odbioru lub nadawania trwa tylko 130 μs. Z drugiej strony nawet po całkowitym uśpieniu układu nadal można go programować, a nawet zapisywać i odczytywać dane z jego buforów TX i RX.
Większość modułów radiowych potrafi mierzyć poziom odbieranego sygnału. Można zatem zoptymalizować komunikację między urządzeniami, by te ustalały między sobą optymalną moc nadawczą i prędkość transmisji. Mniejsza moc da mniejszy pobór prądu, a większa prędkość – krótszy czas nadawania i odbioru. Ma to szczególny sens w łączności LoRa, gdy odległość między urządzeniami lub warunki propagacji są zmienne. Urządzenia mogą też negocjować między sobą najbardziej optymalny kanał, zaczynając od kanału domyślnego. Jeśli przez dłuższy czas urządzenia nie nawiążą udanego połączenia, powinny wrócić do tego kanału domyślnego, minimalnej prędkości i maksymalnej mocy celem wznowienia komunikacji.
Jeśli jedno z urządzeń mierzy kilka parametrów środowiskowych, warto – zamiast przesyłać co sekundę bieżące wartości – raportować tylko zmiany większe niż określony próg minimalny. Dla przykładu stacja pogodowa nie musi raportować każdego podmuchu wiatru, zamiast tego może obliczyć wartość średnią i szczytową w czasie jednej minuty i jeśli ten wynik jest inny niż poprzedni po zaokrągleniu do najbliższego metra na sekundę, to wtedy podawać nowe wartości do stacji bazowej. Inną metodą jest gromadzenie danych, aż przyjdzie żądanie ich dostarczenia. Opaski sportowe i monitory aktywności zazwyczaj komunikują się ze smartfonem tylko wtedy, gdy ten wyśle im zapytanie, dopiero po jego otrzymaniu przekazują wszystkie skumulowane pomiary. Sprytny programista może zaimplementować jakąś formę kompresji danych lub notować tylko zmiany wartości przekraczające określony próg, uwzględniając czas wystąpienia zmiany. Sensowne może też być wybranie takiego momentu komunikacji, gdy poziom zakłóceń od innych urządzeń jest najniższy. W warunkach miejskich, w paśmie 2,4 GHz, „zatłoczenie” spada, gdy ludzie idą spać, wyłączając laptopy, odkładając smartfony i kończąc używanie słuchawek Bluetooth.
Zakończenie
Łączność bezprzewodowa jest fascynującym zagadnieniem, a prowadzenie jej przy ograniczonym budżecie energetycznym – choć mogło się wydawać wyzwaniem nie do przezwyciężenia – okazało się zadaniem może nie prostym, ale też nie przesadnie skomplikowanym. Czytelnika może zdziwić brak omówienia takich rozwiązań, jak Wi-Fi czy modemy sieci 3-, 4- i 5G. W rzeczywistości łączność Wi-Fi jest bardzo prądożerna, a korzyść w formie dużej prędkości transmisji jest tracona przez długi czas nawiązywania połączenia. Dodatkowo jedyną metodą osiągnięcia dużego zasięgu staje się ponownie użycie anten kierunkowych (autor swego czasu korzystał z łącza Wi-Fi na dystansie 2 km z użyciem anteny bi-quad), co sprawia, że w praktyce układy w rodzaju nRF24L01+ stają się bardziej atrakcyjne. Zagadnienie modemów telefonii komórkowej wymaga osobnego artykułu i taki też się ukaże w tym cyklu.
Paweł Kowalczyk, EP
