МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Национальный исследовательский университет

«Московский институт электронной техники»

Институт микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАПИСКА

к проекту

«Связь IoT со шлюзом»

Выполнили:

студенты группы РТ-41

Изюмцев Е.И.

Бажитов К.В.

Юдов А.Д.

Москва 2022

2

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать РЭС для применения в сфере связи устройств «интернета вещей» со шлю-

зом учитывая следующие опорные параметры:

•Частотный диапазон - 868 МГц

•Полоса канала - 12,5 кГц

•Выходная мощность - 5 Вт

•Приемная и передающая антенны - всенаправленные

•Битовая ошибка - 0,001

•Битовая скорость - 1000 бит/с

•Расстояние - 500 м

•Коэффициент шума - 4 дБ

•Потери от антенны до приёмника - 0 дБ

•Потери в фильтре приёмника - 1 дБ

•Фильтр затем МШУ - да

•Запас - 0 дБ

3

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

IoT - аббревиатура, расшифровывающаяся как «Internet of Things», что в переводе означает «интернет вещей». Это концепция сети передачи данных между физическими объ-

ектами (вещами), оснащёнными встроенными средствами и технологиями для взаимодей-

ствия друг с другом или с внешней средой [1].

Под вещами в современном представлении об IoT подразумеваются такие единицы,

как, например: бытовые приборы (будильник, кондиционер), домашние системы (система садового полива, охранная система, система освещения), датчики (тепловые, датчики осве-

щённости и движения) и «вещи» (например, лекарственные препараты, снабжённые иден-

тификационной меткой) взаимодействуют друг с другом посредством коммуникационных сетей (инфракрасных, беспроводных, силовых и слаботочных сетей) и обеспечивают пол-

ностью автоматическое выполнение процессов (включают кофеварку, изменяют освещён-

ность, напоминают о приёме лекарств, поддерживают температуру, обеспечивают полив са-

да, позволяют сберегать энергию и управлять её потреблением) [1].

Большинство таких устройств строится на базе микроконтроллеров, как устройств,

обладающих малой стоимостью и низким энергопотреблением, достигающиеся за счет при-

менения типовых внутренних функциональных блоков для связи с внешним миром и воз-

можностью программирования режима их работы на языках высокого уровня. Так, по со-

стоянию на 2022 год, почти любой микроконтроллер имеет в своем составе блоки UART, SPI, I2C для загрузки программы в микроконтроллер и взаимодействия с другими ИС, циф-

ровыми и аналоговыми портами ввода-вывода общего назначения для считывания показания с датчиков и управления узлами устройства.

Тем не менее большинство микроконтроллеров не обладают встроенными АЦП и ЦАП, достаточными для работы с радиоили видеосигналами. Однако с появлением на рынке в 2014 году продукта фирмы Espressif «ESP8266» [2], обладающим встроенным ана-

логовым радиотрактом, включающим фильтр, смеситель, усилитель и ЦАП/АЦП стали по-

являться предложения, в том числе и от наиболее известных производителей, таких как

STMicroelectronics, выпустившими в 2020 году микроконтроллер STM32WL [3], обладаю-

щим также встроенным модулятором/демодулятором BPSK, FSK и набирающего популяр-

ность стандарта LoRa, что в некоторых случаях позволяет избавится от внешнего приемо-

передатчика и строить устройтсво практически на одной ИС.

Данный класс устройств, как правило, работает на частотах предписанных ГКРЧ как не нелецензируемых, то есть от пользователя не требуется регистрировать передающее устрой-

4

ство. Среди них, например 2.4 ГГц, на котором работает Wi-Fi и 433 МГц, на котором работают пульты сигнализации. Также, согласно приложению № 12 к решению ГКРЧ от 11 сентября 2018 г № 18-46-03-1, в этот список вошел частотный диапазон 868 МГц [4]. Как правило, ГКРЧ старается выделять диапазоны частот, популярные в странах Европы и США в случае, если нет пересечения с частотами используемыми государственными структурами. В связи с малыми длинами волн у типовых частотных диапазонов, предназначенных для IoT появилась возможность проектировать передающие антенны, как часть печатной платы или в виде поверхностно-монтируемого компонента, что упрощает разработку и уменьшает цену устройства.

Конечной целью применения IoT часто является сбор данных и управление устройствами на расстояниях, превышающих радиус действия таких устройств, что приводит к идее использования шлюзов, работающих с устройствами в некотором радиусе и имеющих доступ в глобальную сеть «интернет».

5

ских условиях, так как город является средой с наибольшим количеством препятсвий и ис-

точников переотражения, для чего рассчитаем потери используя модель «Уолфиша-Икегами»

[7].В качестве входных данных для модели определим следующие параметры:

•Частота передачи f (МГц) - 868

•Высота передающей антенны hb (м.) - 20

•Высота передающей антенны hm (м.) - 2

•Расстояние между приемником и передатчиком d (км.) - 0.5

•Средняя высота зданий hr (м. ) - 15

•Средняя ширина улиц w (м. ) - 20

•Расстояние между зданиями b (м.) - 50

Далее произведем рассчет:

1.Расстояния от антенн до зданий ∆hb = hb − hr = 5, ∆hm = hr − hm = 13

2.Для города с плотной застройкой ka = 54, kf = −4 + 1.5 · (f/925 − 1) = −4, kd = 18

3.Потери в свободном пространстве L0 = 32.44 + 20 · log10(d) + 20 · log10(f) = 85

4.Потери в зоне прямой видимости LLOS = 42.6 + 26 · log10(d) + 20 · log10(f) = 93.5

5.Потери при переориентации улиц (за основу взят угол в 45 градусов) Lori = 4 + 0.114 · 45 = 9.13

6.Потери на стороне периферийного устройства Lrts = −16.9−10·log10(w)+10·log10(f)+ 20 · log10(∆hm) + Lori = 31

7.Lbsh = −18 · log10(1 + ∆hb) = −14

8.Потери при переотражениях Lmsd = Lbsh +ka +kd ·log10(d)+kf ·log10(f)−9·log10(b) = 7.25

9.Суммарные потери Ls = L0 + Lrts + Lmsd = 123 дБ.

Таким образом требуется выходая мощность составит -2 дБм, при этом минималь-

ная выходная мощность встроенного передатчика (Pt) составляет 9 дБм или 10(9/10)/1000 = 7 мВт. Заказчиком предусмотрена максимальная выходная мощность 5 Вт, следовательно предлагается скорректировать требования ТЗ в сторону уменьшения выходной мощности.

Так как коэффициент шума встроенного в микроконтроллер радиотракта значительно превосходит коэффициент шума, заданный заказчиком, предлагается использовать внешние МШУ и фильтр для снижения суммарного коэффициента шума на приемном канале пери-

ферийного устройства и шлюза. С учетом сказанного, а также требования заказчика к рас-

положению фильтра до МШУ, радиотракт будет выглядеть согласно рисунку 2.

7

NF = 10 · log10(F ) = 2.92 дБ

В качестве антенны периферийного устройства предлагается использовать всенаправ-

ленную керамическую антенну, предназначенную для поверхностного монтажа, Taoglas «ILA

.02», обладающую коэффициентом усиления 1.5 дБи [11]. На шлюзе предлагается использо-

вать всенаправленную антенну с разъемом SMA фирмы Nettigo, обладающей коэффициен-

том усиления 2 дБи [12].

Тогда EIRP периферийного устройства EIRPпериф. = Pt·Gc = 10.5 дБм, а EIRPшлюз =

Pt · Gs = 11 дБм. При этом запас составит в среднем EIRP + GМШУ + Gант. − Lфильтр − Ls −

Pr min = 22.5 дБ. Несмотря на то, что в ТЗ не требуется запас, с учетом невозможности найти более слабый усилитель в заданном диапазоне частот и желании использования его как средства снижения коэффициента шума предлагается скорректировать требования ТЗ в сторону увеличения запаса.

Резюмируя предложим следующее техническое решение:

•Частотный диапазон - 868 МГц

•Полоса канала - 9,7 кГц

•Выходная мощность - 7 мВт

•Приемная и передающая антенны - всенаправленные

•Битовая ошибка - 0,001

•Битовая скорость - 1200 бит/с

•Расстояние - 500 м

•Коэффициент шума - 2.92 дБ

•Потери в фильтре приёмника - 2.5 дБ

•Фильтр затем МШУ - да

•Запас - 22.5 дБ

9