Вычисление точностно-временных параметров автономных измерительных модулей на основе беспроводной связи

2012, № 2

35

УДК 681.586

О. В. Тужилкин, В. Н. Новиков, Б. В. Чувыкин

ВЫЧИСЛЕНИЕ ТОЧНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ АВТОНОМНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ НА ОСНОВЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

O. V. Tuzhilkin, V. N. Novikov, B. V. Ghuvykin

CALCULATION ACCURACY AND TIME PARAMETERS MEASURING MODULE BASED ON WIRELESS CONNECTION

Аннотация. Приведена классификация беспроводных модулей по отношению к энергетическим ресурсам, описаны принципы работы различных типов модулей, выведена формула, связывающая такие характеристики, как точность измерения, время работы беспроводного модуля и его мощность.

Abstract. A classification of wireless modules with respect to energy was presented, describes the principles of operation of various types of modules, a formula relating the characteristics such as accuracy, time of operating and its power was described.

Ключевые слова: модуль, характеристика, измерение, время, точность. Key words: plugin, description, measurement, time, accuracy.

Непрерывное совершенствование стандартов беспроводной связи, появление недорогих надежных устройств позволяют заменить проводное соединение даже в таких приложениях, как системы мониторинга, измерительные сети, автоматизация зданий, управление бытовыми приборами, охранные системы. Отказ от использования кабельной сети заметно упрощает процесс проектирования и монтажа системы. Одним из главных достоинств беспроводных систем является возможность установки в труднодоступных местах. Отсутствие необходимости прокладывать кабель позволяет удешевить систему. Существенной особенностью беспроводных сетей является возможность изменения структуры системы в зависимости от условий работы, что позволяет вести наблюдение за перемещающимися объектами или обеспечить функционирование в условиях изменяющейся окружающей среды.

Беспроводные сети состоят из множества устройств - автономных измерительных модулей. По отношению к энергетическим ресурсам эти модули можно разделить на две группы: активные и пассивные. Для активных модулей источником энергии является аккумулятор. Пассивные модули получают энергию от внешних устройств посредством индуктивной или радиолокационной связи. Самым критическим ресурсом для беспроводных систем является энергия. Функционально-метрологические характеристики активных модулей напрямую зависят от мощности аккумулятора. В случае работы с быстропеременными процессами частота опроса объекта измерения может составлять несколько сотен, а порой и тысяч герц. Временной ресурс такой системы, построенной на активных беспроводных модулях, будет небольшим. Для увеличения времени работы системы необходима большая емкость батареи. Вместе с емкостью батареи будут увеличены габариты беспроводного модуля, что лишает систему одного из ее главных достоинств - миниатюрности.

Другим параметром, имеющим ключевое значение для измерительных систем, является точность измерений. Основной задачей разработчика при проектировании системы и беспроводных модулей являются сопоставление всех параметров системы и их оптимизация. В случае с сенсорной сетью очень важно правильно рассчитать время работы системы и ее отдель-

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

ных модулей при заданных значениях погрешности и времени проведения измерений. Время

работы модуля можно вывести из следующей формулы:

р=£,

t

где Е - энергия аккумулятора; t - время работы модуля; Р - мощность прибора.

В беспроводном измерительном модуле мощность можно разложить на несколько составляющих:

р = р + р + р

изм цос пп' V-1/

где ризм - мощность, затрачиваемая на измерение; рцос - мощность цифровой обработки информации; рпп - мощность, затрачиваемая на прием/передачу данных. Данные параметры можно представить в следующем виде:

р = ц ^

изм I

Y 2t

• изм

где £ = 3,5 • 10 20 Дж-с [1]; у - погрешность измерения; ^м - время измерения; ц - энергетиче-

1/а1ки

ский КПД (для современных приборов - 10-6-10 16).

P =

цос t

tцос

где 1 - ток потребления процессора на единицу частоты; /с1к - частота работы процессора; и - напряжение питания; - время выполнения цифровой обработки.

р = и

пп '

^п

где I - ток потребления радиомодема в режиме приема/передачи; и - напряжение питания;

- время приема/передачи. Таким образом, время работы системы при заданных параметрах можно рассчитать по следующей формуле:

Е

t =-

'УЖ+U

Y 'изм 'цос tnn

В последнее время наравне с беспроводными системами, состоящими из активных модулей (т.е. имеющих в своем составе аккумулятор), развиваются беспроводные системы на основе пассивных модулей. В ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» проводятся работы в этом направлении. В настоящее время прорабатываются варианты построения встроенных систем измерения технически сложных объектов на основе беспроводной связи. Такие системы известны и под названием «системы радиоидентификации» (КБГО). КБГО-метки не имеют встроенного источника энергии. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования кремниевого КМОП-чипа, размещенного в метке, и передачи ответного сигнала, что дает основания для использования данной технологии в системах, встраиваемых в конструкцию на этапе изготовления.

В технологии ЯРЮ всегда присутствуют два объекта: радиочастотный идентификатор и устройство считывания информации (ридер), записанной в идентификатор [1]. Под идентификатором здесь понимается КРГО-карта, метка или другая конструкция, состоящая из КРГО-микросхемы и антенны. Работа радиочастотной ИБ'-системы осуществляется на основе «ближнего поля» (рис. 1), когда используется индуктивная связь идентификатора со считывателем с помощью переменного магнитного поля, излучаемого антенной считывателя (принцип трансформатора). Дальность считывания пассивного ИБ-идентификатора лежит в пределах

36

1 HF - (high frequency) - высокочастотный диапазон.

2012, № 2

37

10 см - 1,5 м. ИНБ'-система функционирует на основе «дальнего поля». Антенна считывателя излучает электромагнитную волну (энергию), антенна идентификатора получает от нее энергию, активирует микрочип, который использует эту энергию для кодовой модуляции отражаемой антенной идентификатора волны (принцип радара). Дальность считывания пассивного иНБ-идентификатора в среднем составляет 5 м. В обоих случаях основной функцией радиометок является определение наличия метки в радиусе действия специального устройства - ридера.

СЧИТЫВАТЕЛЬ МЕТКА

СЧИТЫВАТЕЛЬ

инр

I

МЕТКА

I 7, Vi I 1 , < ,м * t

Обратное рассеивание

1 V < I V \ л' ' I

Рис. 1. Принципы работы радиометок

Если системы радиоидентификации на пассивных элементах известны и широко применяются, то информационно-измерительные сети на основе индуктивной связи - это новая и малоисследованная область техники.

Сенсорная система, построенная на пассивных радиометках, может иметь преимущество при мониторинге распределенных объектов измерения. На самом деле модули не имеют в своем составе аккумулятора, следовательно, они не нуждаются в дополнительном обслуживании, т.е. подзарядке или замене элементов питания. Всю необходимую для работы энергию радиометки получают от ридера по радиоканалу. Необходимо отметить, что ридер должен излучать энергию в течение всего времени работы метки. Чем слабее будет энергия излучения, тем медленнее и менее точно будет работать измерительный модуль. Поэтому методика вычисления мощности энергии излучения при заданных времени работы и точности измерения представляет собой большую ценность. Расчет значения энергии радиоволны можно произвести по аналогии с вычислением времени работы беспроводного модуля:

_ е _ р,

где Е - энергия радиоволны; Р - потребляемая мощность радиометки; ^ - время ее работы.

Подставив значение Р из (1), получаем значение энергии волны при заданном времени работы радиометки:

E =

Л

С

Y 2t

• изм

+ ifckU+и

^цос ^пп J

Возможность вычисления временного и энергетического ресурса беспроводной системы имеет огромное прикладное значение. Приведенные выше функциональные зависимости между энергией, погрешностью и временем позволяют оптимизировать параметры системы

1 UHF - (Ultra high frequency) - ультравысокочастотный диапазон.

38

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

еще на этапе ее проектирования. На основе вычисленных значений гораздо проще выбрать подходящее схемотехническое решение и протокол информационного взаимодействия [1, 2].

Список литературы

1. Дшхунян, В. Л. Электронная идентификация. Бесконтактные электронные идентификаторы и смарт-карты / В. Л. Дшхунян, В. Ф. Шаньгин. - М. : АСТ ; НТ Пресс, 2004.

2. Новицкий, П. В. Основы информационной теории измерительных устройств / П. В. Новицкий. - Л. : Энергия, 1968.

Тужилкин Олег Владимирович

ведущий инженер,

Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: ibx@inbox.ru

Новиков Валентин Николаевич

начальник отдела,

Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: elbrus-52@yandex.ru

Чувыкин Борис Викторович

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет E-mail: chuvykin_bv@mail.ru

Tuzhilkin Oleg Vladimirovich

leading engineer, Research Institute of Physical Measurements

Novikov Valentin Nikolaevich

head of department, Research Institute of Physical Measurements

Chuvykin Boris Viktorovich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of information-computing systems,

Penza State University

УДК 681.586 Тужилкин, О. В.

Вычисление точностно-временных параметров автономных измерительных модулей на основе беспроводной связи / О. В. Тужилкин, В. Н. Новиков, Б. В. Чувыкин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 2. - С. 35-38.