RFox2 aplikační informace, doporučení, popis

Obsah

Apendix A. Vysvětlivky a pojmy

---

 

1. Co je RF nebo rádiový signál

1.1 Úvod

RF nebo rádiový signál je elektromagnetické vlnění, jehož intenzita se vzdáleností od vysílače klesá, proto dosah rádiového signálu omezen.

Základní funkcí jakéhokoli bezdrátového komunikačního systému je přenos dat z bodu A do bodu B. Čím delší je komunikační dosah, tím je systém robustnější a efektivnější. Proto je dosah jedním z nejdůležitějších parametrů, který je třeba vzít v úvahu při hodnocení bezdrátových RF sítí.

DŮLEŽITÉ: Drátová připojení a bezdrátová připojení se liší v jednom centrálním bodě:

• Drátová připojení jsou statická a nemění se. Bezdrátová připojení jsou naopak dynamická. Změnou vnějšího okolností komunikace může se změnit nebo být narušena.

 

1.2 Pochopení dosahu RF komunikace

Jednou z nejčastějších otázek, kterou si vývojáři často kladou ve fázi plánování sítě, je „Jak dlouhý bude můj dosah?“. Odpověď se zdá být jednoduchá – výrobce RF modulů by měl uvést dosah, který jeho moduly poskytují. V mnoha případech se však skutečný dosah v reálných podmínkách liší od inzerovaného dosahu.

 

1.3 Rádiové vlny a jejich šíření

Ve volném prostoru se rádiové vlny šíří sféricky. Síla signálu klesá kvadraticky se vzdáleností. Od určité vzdálenosti je signál tak slabý, že jej již nelze bez chyb přijímat nebo je ztlumen okolním šumem.

Obr 1. Ukázka, jak síla signálu klesá se vzdáleností.

 

1.4 Propustnost 

Dosah a šíření rádiového signálu ovlivňuje řada dalších faktorů, které je nutné vzít v úvahu.

Například kovové plochy včetně kovových výztuží jako armovací sítě, traverzy, metalizované plochy izolačních a termoizolační fólií, skleněné plochy (okna, výlohy) a atd 

Všechny tyto povrchy ve větší či menší míře odráží rádiový signál a kvůli tomu za nimi vzniká elektromagnetický stín.

Skrze běžné zdivo rádiový signál prochází, v porovnání se signálem, který se šíří ve volně otevřeném prostoru je však takové vlnění průchodem skrz překážku oslabeno. 

Některé materiály oslabí signál méně, některé více.

 

Tab. 1 Prostup RF signálů různými stavebními materiály

DŮLEŽITÉ: Před instalací je nutné změření kvality signálu RSSI mezi jednotlivými prvky a RF masterem. Tento postup bývá často podceňován, ale je důležitým prvním krokem při instalaci.

DŮLEŽITÉ: Řádově platí, že pokud bychom se dostali pod (-96 dbm) kvality signálu, je nutné prvek přemístit kvůli zachování 100% funkčnosti.

 

1.5 Odrazy

Faktory ovlivňující rádiové vlny

Obr. 2 Odrazy rádiových vln

 

Odrazy rádiových vln mohou mít výhody, ale i nevýhody:

• V místnostech odrazy často májí výhody, protože umožňují dosáhnout každého rohu místnosti, i když mezi vysílačem a přijímáčem není přímá viditelnost.
• Odrazy však mohou také způsobit rušení

 

 

1.6 Šíření RF signálu

Pro šíření RF signálu úzké prostory s tlustými stěnami nejsou příznivé, protože zkracují dosah a kvalitu signálu

 

 

Obr. 3a  Elipsoid vyznačuje šíření RF signálu v otevřeném prostoru

Obr. 3b  Elipsoid vyznačuje šíření RF signálu v úzké místnosti.

ZÁVĚR: Z obrázků je vidět výrazně snížení dosahu.

 

Dosah RF signálu určen také typem a konstrukce budovy, ve které je provozována RFox síť. 

Obecně při vizuálním kontaktu typicky dosah do 30 m na chodbách, a do 100m ve větších halách.

Úspěšnou vnitřní instalaci lze dosáhnout při dodržení následujících doporučení:

 

Tab. 2 Typicky dosah a podmínky v budovách při správě pozici antén

 

1.7 Vzdálenosti od potenciálních zdrojů rušení

Doporučujeme minimálně 2m vzdálenost od potenciálních zdrojů rušení elektromagnetického vlnění (např. Wi-Fi/LTE routery, meteostanice, různé bezdrátové čidla zabezpečovacích systémů atd.)

Obr. 4  Umístění modulů vůči jiným zdrojům rušení.

 

1.8 Stínění

Různé velké předměty, které obsahují velký podíl kovu, například:

stavební výztuže a traverzy, ocelové pláště a stěny průmyslových hal nebo pokovené části konstrukce, fólie tepelných izolací nebo vzduchotechnické potrubí atd které jsou ukryté v konstrukcích budovy, vytváří elektromagnetický stín protože odráží elektromagnetické vlny podobně jako zrcadlo odrážející světlo.

Obr. 5 Jak kovové předměty vytváří elektromagnetický stín

Různé dělící příčky, brání přímému šíření RF signálu, neboť jej nepropouští, ale odráží. Přesto se signál z místnosti s kovovými nebo železobetonovými dělícími příčkami, resp. zdmi dostane ven, využije k tomu různé stavební nebo technologické otvory (okna, dveře apod.), které průchodu elektromagnetických vln nebrání nebo mu brání podstatně méně. Takový signál je však silně zeslaben a hlavně je směrový, tedy je dostatečný (použitelný) jen v úzké výseči dané otvorem, kterým se šíří ven.

Obr. 6  Stínění rádiového signálu v budovách

 

1.9 Úhel prostupu

Úhel, pod kterým RF signál prochází skrz stěnu, je velmi důležitý, protože útlum signálu se liší právě podle tohoto úhlu. Signál musí procházet pokud možno přímo přes zeď co nejkratší cestou.

Obr. 7  Průnik rádiového signálu stěnou pod různými úhly

 

1.10 Instalace antén

Nejdůležitější součásti bezdrátového spojení jsou vysílací a přijímací antény a způsob její montáže.

Proto je nastavení a umístění antény velmi důležité, protože velmi malé změny mohou bezdrátovému spojení přinést velký užitek.

Důležité dodržovat pravidla vzdáleností antény od stropu, podlahy a stěn, protože jsou hlavními faktory, které ovlivňují dosah bezdrátového vysílání.

Externí antény mívají obvykle větší zisk než integrované antény ukryté v bezdrátovém zařízení. 

Lidé, nebo jiné objekty, které náhodně nebo trvale stojí v cestě rádiovému signálu, rovněž tvoří překážku a snižují celkový dosah, proto se obvykle uvádí u všech bezdrátových modulů Teco, které se instalují v zastavěném prostoru, dosah do 20m ( do 100m pak ve volném prostoru).

 

Instalace modulů s vestavěnou anténou

Modul s vestavěnou anténou nesmí být instalovány na stejnou zeď jako RF master nebo další modul který slouží jako router. Pokud nelze vybrat jiné umístění musíme brát v potaz, že rádiový signál se podél zdi šíří obtížně a může být ztlumen nebo totálně rozptýlen. 

 

DŮLEŽITÉ: Instalace antény nebo zařízení s integrovanou anténou na kovový povrch nebo v jeho blízkosti nebo blízkosti elektrických kabelů nebo kovových trubek, může způsobit ztrátu dosahu do 30%.

Ověřeno v praxi že lepšího výsledku můžeme dosáhnout, při umístění modulů na boční nebo protější stěnu.

 

DŮLEŽITÉ: Interní anténa v bočním směru vyzařuje minimum energie. 

 

Obr. 8  Umístěni modulů vůči RF masteru nebo routeru

 

Instalace externí (magnetické) antény

Pokud modul má SMA konektor pro připojení externí antény, je ideální nainstalovat tuto anténu uprostřed místnosti. Tam, kde je to možné by měla být externí anténa instalována nejméně 10 - 15 cm od rohu zdi nebo betonového stropu.

Pozor: Pokud je modul umístěn do kovového rozvaděče, je nutné využít externí anténu.

 

Obr. 9  Doporučený způsob instalace externí antény 

 

2. Základní pojmy sítě RFox2

2.1 Úvod

RFox II (Radio Foxtrot) je bezdrátová rádiová sběrnice. Je provozována v bezlicenčním radiovém pásmu 868 MHz a pro její provozování není potřeba žádné další povolení.

 

Tab. 3. Základní parametry sběrnice RFox II

 

Komunikace probíhá prostřednictvím externího RF masteru.

Seznam podporovných RF masterů

• SC-1111-A (Jednokanálový externí modem/máster sítě RFox II, na systémové sběrnici TCL2)
• C-RF-0001M-A. (Jednokanálový externí máster sítě RFox II, na systémové sběrnici CIB)
• RF-2131-A (Jednokanálový externí máster sítě RFox II, na systémové sběrnici TCL2)

Důležité: RF-2131-A je podporován pouze PLC série 2

 

2.2 RF Master

RF master je komunikační modul, který rozšiřuje PLC o možnost přijímat a odesílat RF pakety. Masteru může být použito i několik, knihovna RFox2Lib potom pro komunikaci s RF moduly automaticky volí nejvhodnější master podle síly signálu. Díky připojení přes linku TCL2 nebo CIB mohou být jednotlivé mastery rozmístěny i značně daleko od sebe (viz příklad 1).

 

2.3 Router

Pokud není možné komunikovat s příslušným RF modulem napřímo (je od RF masterů příliš daleko nebo je stíněn nějakou překážkou), můžeme využít jiného RF modulů jako routeru. Tento router potom přeposílá řídicí pakety z PLC do příslušného RF modulů a stavové pakety z RF modulů do PLC. Komunikace může probíhat i přes několik routerů, pokud je to třeba. 

Důležité: V síti RFox II může sloužit jako router každý modul, který je trvale napájen.

 

2.4 RF Modem/master

Když potřebujeme propojit dva a víc PLC pro předání informace a/nebo povelu, musíme použít RF modem. RF modem poskytuje funkce RF másterů pro komunikaci s periferními moduly a současnou výměnu dat mezi několik PLC. 

 

2.5 RF adresa

V síti RFox II má každý modul svoji unikátní adresu. Adresa je složena ze dvou částí, horní část obsahuje označení typu modulů a ve spodní části je sériové (výrobní) číslo modulů.

Toto platí i pro centrální modul PLC (master). Pokud chceme, aby adresa PLC nebyla závislá na konkrétním HW (např. při komunikaci více PLC mezi sebou), můžeme nastavit tzv. uživatelskou adresu, která se potom nese s programem a při výměně PLC zůstává stále stejná.

 

2.6 Síťový kryptovací klíč

Radiová komunikace v síti RFox II je zabezpečena šifrou, která používá klíče délky 128 bitů. Ve výchozím stavu používají všechny moduly společný kryptovací klíč, aby si vzájemně rozuměly. Uživatelská aplikace má možnost nastavit uživatelský kryptovací klíč, který se liší od výchozího klíče a bude se používat přednostně. Master sítě RFox II automaticky synchronizuje uživatelský kryptovací klíč do všech svých přiřazených RF modulů. RF moduly potom tímto klíčem kryptují stavová data a akceptují řídicí data pouze pokud jsou kryptována tímto uživatelským klíčem. Tím je zajištěno, že jiný centrální modul, který nezná příslušný uživatelský kryptovací klíč, nerozumí stavovým datům z příslušných RF modulů, ani nemůže těmto modulům posílat řídicí data. Uživatelský kryptovací klíč si RF moduly pamatují i po odpojení napájení.

Aby bylo možné použít RF modul např. v jiné aplikaci bez předchozí znalosti jeho kryptovacího klíče, je možné v RF modulů nastavený uživatelský klíč vymazat buď pomocí tlačítka na modulu nebo povelem z master modulu pro nastavení nového klíče, který musí přijít do několika minut od zapnutí napájení příslušného modulu.

 

2.7 Síla signálu (RSSI)

U RF zařízení je dobré znát kvalitu spojení mezi dvěma moduly. Jedním z ukazatelů kvality může být síla signálu, která se zpravidla označuje zkratkou RSSI (received signal strength indicator). Tato hodnota je udávána v logaritmickém měřítku, jednotkou je dBm. Čím je číslo menší, tím slabší je přijímaný signál. Zde zhruba platí, že kolem -40dBm je velmi silný signál, do cca -80dBm je slušný signál a někde nad -105dBm je hranice citlivosti RF modulů. 

Protože ve stejném pásmu mohou vysílat i jiné moduly nebo do něho zasahovat elektromagnetickými emisemi např. spínané síťové zdroje (PC, TV, LED žárovky, stmívače atd.), sečtením všech těchto zdrojů elektromagnetického záření vzniká tzv. šum pozadí – je to vlastně síla přijímaného signálu, pokud nevysílá žádný modul z naší sítě. Pro spolehlivou funkci RF komunikace je třeba, aby byl signál z našich RF modulů v místě přijímače silnější než šum pozadí.

 

Na sílu signálu má velký vliv umístění samotného modulů. Signál je tlumen překážkami z plného materiálu, jako jsou např. zdi, ale nejhorší jsou překážky obsahující kov – např. železobetonový strop, ocelový rám okna, sklo s drátěnou výplní, ale i např. zrcadlo. Zároveň dochází i k odrazu od stěn, takže někdy se signál takovým odrazem dostane i do míst, která jsou stíněná – do místnosti s tlustými stěnami projde třeba dveřmi po několika odrazech od stěn chodby. Taková komunikace může být spolehlivá, ale pokud někdo právě stojí v chodbě, nemusí v tu chvíli komunikace fungovat.

Proto je pro spolehlivou funkci RF sítě klíčové zvolit správné umístění antény od mastera (PLC), aby signál nebyl pokud možno stíněn kovovými překážkami. Výhodné je i umístění zhruba doprostřed plochy, kde budou instalované RF moduly.

 

Na sílu signálu (a tím i dosah) má velký vliv i správně zvolená anténa. Naše síť bude mít výrazně větší dosah, pokud místo malé pendrekové anténky použijeme (alespoň u mastera) větší např. magnetickou anténu, která má lepší vyzařovací účinnost při vysílání a větší zisk při příjmu. Propojovací kabel mezi anténou a RF modulem by neměl být zbytečně dlouhý, protože v něm dochází k útlumu signálu a tím klesá síla přijímáného signálu.

Pokud chceme pokrýt větší plochu, můžeme použít více RF modemů v různých místech. RF master dokáže využívat více modemů současně a pro komunikaci s konkrétním modulem podle síly signálu volí automaticky nejvhodnější modem.

 

3. Princip RF komunikací

3.1 Úvod

Komunikace mezi RF masterem a RF modulem je podporována pro topologie typu hvězda a topologie typu routovací síť.

 

3.2 Síť typu hvězda

Topologie typu hvězda představuje přímý komunikační dosah mezi maserem a RF modulem, master má vždy přímý komunikační dosah se všemi podřízenými RF moduly.

Obr. 10 Příklad topologie typu hvězda

 

 

3.3 Routovací síť

Topologie typu routovací sít představuje takové rozmístění obsluhovaných modulů, kdy RF master má přímý komunikační dosah pouze s některými moduly, do ostatních modulů dosáhne použitím tzv. routerů. Router (opakovač) je zařízení, které příchozí RF paket přijme, zesílí a přepošle dále. Použitím routerů lze tedy zvětšit základní komunikační dosah master modulu.

 

 

Obr. 11 Příklad topologie typu routovací síti

 

V jedné routovací síti lze použít maximálně 10 routerů. Vyslaný RF paket musí ke svému příjemci doputovat s využitím maximálně 11 hopů (přeskoků). Každý hop představuje zvětšení časové prodlevy mezi vysláním a doručením RF paketu (prodlužuje se reakční doba mezi povelem a akcí). Pro funkci routeru lze použít buď jednoúčelový RF router, nebo kterýkoliv RF modul v trvalém provozu (funkce routeru se modulů přiřadí při konfiguraci modulů do RFox sítě).

Z hlediska provozu se v RFox síti mohou vyskytovat moduly s trvalým provozem a moduly s přerušovaným provozem. Moduly s trvalým provozem jsou kdykoli schopné reagovat na povely RF mástera (většinou trvale napájené moduly). Moduly s přerušovaným provozem přecházejí do režimu „spánku“ (sleep mode), během kterého nereagují na povely mástera (většinou bateriově nápájené moduly). Ze sleep režimu mohou moduly přejít na základě uživatelské akce (např. stisk tlačítka na modulů), nebo na základě časové akce (vypršení časové prodlevy).

 

3.4 Routování RF signálu (opakování)

Rozsah použitelnosti systému je díky technologii směrování (routing) téměř neomezený. Komunikace není limitována běžným dosahem rádiového přenosu, protože prvky RF systému si v případě potřeby předávají informace mezi sebou i na větší vzdálenosti. Předání signálu do příslušného modulů je umožněno sousedními nejbližšími modulů, pomocí funkce routování/opakování.

V průběhu uvedeni do provozu a nastavení routování je vždy musí být vyhledáno nejkvalitnější spojení a nalezena optimální komunikační cesta.

 

Kdy použít funkce routování/opakování?

Pokud modul má slabý dosah signálu (pod -96 dbm), ale instalace nedovoluje prvek přemístit,

můžeme použít funkce routování přes modul který vykazuje lepší úroveň signálu. Tento modul/router přijme signál, zesílí a pošle ho dál. Díky tomu můžeme ovládat i prvek, který při prvním měření bez routeru měl sílu signálu pod pod -96 dbm. Doporučujeme maximálně 2 routery v elektroinstalaci kvůli zpoždění. Router dáváme vždy co nejblíž k překážce, tak aby byl viditelný z obou stran (vysílač a přijímač) a signál mohl obejít neprůchozí překážku.

I router může mít problém s přenosem signálu mezi patry (které jsou většinou ze železobetonu

a tím se stávají neprostupnými pro RF signál). Řešením je použití vic RF masterů v instalaci propojené

kabelem CIB nebo TCL sběrnice.

 

 

Obr. 12 Příklad topologie typu routovací sít s větším počtem RF másterů

Obr. 13 Příklad topologie typu routovací sít s větším počtem PLC

 

               

Obr. 14 Příklad rozložení RFox2 sítí v jednopatrovém penzionu

 

 

Apendix A.

Vysvětlivky a pojmy

 

Hop - jeden přeskok routovacího paketu

RF - radiofrekvenční

dBm: S touto jednotkou se často setkáváme při výpočtech výkonu. Používá se ke kvantifikaci výkonu ve vztahu k 1 mW. Například 0 dBm by znamenalo 1 mW. Vezmeme-li to jako referenci, jakékoli zvýšení na straně mW se také promítá do zvýšení na straně dBm. Toto zvýšení na straně dBm je však logaritmické. Což znamená, že při 10mW je to také 10 dBm, ale 100 mW je 20 dBm a 1000 mW je 30 dBm. Každé násobení 10 v mW je pouhým přičtením 10 v dBm. Níže je tabulka s některými běžně používanými hodnotami.

Tab. Převodní tabulka mW na dBm

 

Rušení: rušení nebo RF šum se vztahuje na všechny ostatní signály dostupné ve spektru. Šum má mnoho druhů a příčin. Může to být tepelný šum od hardwarových komponent ve všem, od vlastního RF modulů až po okolní elektrospotřebiče. Šum může být způsoben také blízkost vysílače na jiné frekvenci.

Dosah: Týká se minimální vzdálenosti, na kterou lze umístit vysílač a přijímač při zachování odpovídající úrovně signálu.