Частота 868 мгц что это

Почему именно 868 МГц?

Диапазон действия
Успехи мобильной связи и активное ее использование вдохновили дальнейшее развитие протоколов радиосвязи, применяющихся для малых расстояний, а также для высокоскоростного обмена данными. Примеры таких протоколов: Bluetooth и WLAN. Они дали толчок развитию систем передачи данных по радиоканалу. Когда разрабатывались детали реализации системы KNX RF на так называемом физическом уровне (первый из семи уровней в модели взаимодействие открытых систем), эксперты из целевой группы выбрали частоту 868 МГц, поскольку она не была задействована в ISM-приборах («Instrumentation, Science and Medicine» – «приборостроение, наука и медицина»).

Одной из причин выбора данной частоты стал закон природы. При равных мощностях передачи радиус распространения радиоволн обратно пропорционален частоте. Сигнал системы KNX RF на частоте 868 МГц имеет выходную мощность от 1 до 25 мВт. Если бы передатчик имел более высокую частоту, то пришлось бы использовать более мощный излучатель, чтобы достичь той же зоны охвата.

В системе KNX RF взаимодействие идет только с ближайшим датчиком, затем команда передается дальше. На частоте 868 МГц режим работы SRD (режим ближнего действия) используется только на 1%. Для системы KNX RF не требуется увеличения скорости обмена данными (в настоящее время она составляет 16 килобит/сек), поскольку в этой системе не используются потоковые данные (голос, видеоинформация и передача файлов).

Внешнее окружение
Еще одной причиной выбора этой частоты является тот факт, что, проходя препятствия (такие как бетонная или каменная стена, а также мебель и дже мы с вами), радиосигнал может частично или даже в значительной степени ослабевать. (Цыпленок в микроволновой печи поджаривается, поглощая радиоизлучение в сантиметровом диапазоне.) Пространство за препятствием, куда не может попасть радиосигнал, называется «зоной отсутствия приема».

Зона отсутствия приема
Радиосигнал распространяется во всех направлениях. Выбор частоты 868 МГц оптимален, поскольку обеспечивает надежный обмен данными, для которого не требуется высокой скорости. Данная частота в меньшей степени поглощается стенами и другими препятствиями.

Эти два упомянутых выше эффекта расширяют дальность связи до 30 м с учетом прохождения через две-три каменных стены. Этого оказывается достаточно, чтобы покрыть одну или несколько квартир (даже при использовании всего одного ретранслятора). Крупные же здания могут потребовать дополнительных ретрансляторов.

Применение системы KNX RF гарантирует радиус охвата, но для этого необходимо, чтобы применялись высокочувствительные приемники и
достаточно мощные передатчики. Тогда конечные устройства смогут получать даже очень слабые сигналы. Большая часть устройств, производимых для стандарта KNX, даже превосходят эти минимальные требования.

Ретрансляторы для KNX RF
Для расширения диапазона передачи можно как увеличивать мощность излучателей, так и устанавливать один или несколько ретрансляторов. Протокол KNX RF указывает на второй путь, предлагая модель использования ретрансляторов, в рамках которой предусматривается «умное» использование протокола канального уровня, а также информации об адресе источника. Это позволит избежать многократных ретрансляций по одному адресу. Однако, с учетом радиуса передачи для систем KNX RF малого и среднего размера, удается обходиться вообще без ретрансляторов, что доказано на реальных объектах строительства.

Иные технологии беспроводной связи предполагают использование самых современных ретрансляторов, либо их сложной модели размещения. Процедура настройки сетей уровня WLAN доступна только специалисту, так что в них необходимо предусмотреть функции самоконфигурирования и самовосстановления. Для таких протоколов требуется некоторое время, чтобы обнаружить и решить проблему. А за это время часть сигналов может быть потеряна. Так, например, датчик дождя, работающий от автономных батарей, посылает одностороннюю телеграмму на закрытие окна при начале дождя.

Праздник к нам приходит: ГКРЧ расширила ISM-диапазон 868 МГц в два раза

Короткая, но важная для причастных к IoT новость: ГКРЧ официально расширила безлицензионный диапазон 868 МГц, в котором традиционно живут такие сети, как LoRaWAN, Стриж/Вавиот, Sigfox и другие.

Официально это называется «неспециализированные устройства малого радиуса общего применения», а закреплены изменения в Приложении 12 к Решению ГКРЧ № 18-46-03-1 от 11 сентября 2018 года.

• 864,0 — 865,0 МГц — мощность до 25 мВт, рабочий цикл до 0,1 % или LBT*, запрещено использование на территории аэропортов
• 868,7 — 869,2 МГц — мощность до 25 мВт, рабочий цикл без ограничений, использование без ограничений

• 864,0 — 865,0 МГц — мощность до 25 мВт, рабочий цикл до 0,1 % или LBT*, запрещено использование на территории аэропортов
• 866,0 — 868,0 МГц — мощность до 25 мВт, рабочий цикл до 1 % или LBT*, запрещено использование на территории аэропортов, спектральная плотность мощности до 1000 мВт/МГц
• 868,7 — 869,2 МГц — мощность до 100 мВт, рабочий цикл до 10 % или LBT*, использование без ограничений

Что это означает конкретно для сетей LoRaWAN?

Во-первых, возможность ухода из диапазона 864-865 МГц в новый диапазон 866-868 МГц. Старый диапазон неудобен по двум причинам — и из-за рабочего цикла всего в 0,1 %, и из-за завала АЧХ существующих базовых станций на 2-3 дБ в его нижней половине.

Типовая базовая станция LoRaWAN может обслуживать 8 частотных каналов с шагом 200 кГц — то есть, при старой регуляции получалось 2 канала в верхнем диапазоне и 5 каналов в нижнем, итого 7. Новая регуляция позволяет развернуть все 8 каналов в верхнем и среднем диапазонах, а при необходимости (с использованием БС с двумя радиоблоками) — целых 16 каналов. Это не требует изменения текущего стандарта LoRaWAN, так как базовая станция может передать устройству список доступных для него каналов при его регистрации в сети.

Во-вторых, на базовых станциях можно поднять мощность выхлопа в эфир до 100 мВт, чтобы с большей уверенностью достучаться до конечных устройств в нисходящем канале. Это позволяет организовать нисходящий канал RX2 с более высокой скоростью, нежели восходящий, и уменьшить загрузку эфира при большом количестве устройств, которые нисходящий канал используют.

В-третьих, во всех диапазонах появилось ограничение на рабочий цикл. Поставить железку, которая будет отравлять всем жизнь, непрерывно что-то излучая в эфир, теперь нельзя. С другой стороны, это накладывает ограничения на работу базовой станции — теперь она не может занимать один канал более 10 % времени.

Впрочем, ограничения на базовую станцию можно обойти настройками сети — в нисходящем канале базовая станция может отвечать устройству либо на той же частоте, на которой последнее само вышло в эфир, либо на фиксированной частоте RX2. Активно используя комбинацию из них, можно «размазать» эфирное время базовой станции по разным частотным каналам — с учётом, что RX2 за счёт увеличенной вчетверо мощности теперь можно сделать быстрее, это в общем случае решает проблему.

В-четвёртых, в новом диапазоне есть ограничение на спектральную плотность мощности — 1000 мВт/МГц. Это означает, что в нём не смогут работать UNB-системы с их полосами в 100-200 Гц — при выходной мощности 25 мВт и полосе 100 Гц спектральная плотность сильно превысит разрешённую. Говоря проще, этот диапазон полностью отдаётся на откуп широкополосным системам — LoRa и меш-сети на 802.15.4.

В-пятых, возникает соблазть увеличить количество стандартных каналов регистрации устройств — это каналы, на которых БС обязана слушать эфир, т.к. при включении или перезагрузке устройство может выйти на любом из них. В данный момент таких каналов два, оба в верхнем диапазоне, и один из них при этом совпадает с каналом RX2.

Новая регуляция позволяет перекроить каналы по европейскому образцу — выделить три полноценных канала регистрации устройств, ни один из которых не пересекается с RX2. К сожалению, это потребует принятия нового регионального стандарта (LoRaWAN Regional Parameters) для России, что, в свою очередь, потребует перепрошивки устройств и перенастройки базовых станций. Впрочем, остаётся варивант добавления одного нового канала регистрации — тогда устройства, уже сделанные под RU864-870, продолжат работать штатно. С третьей стороны, и устройств таких пока немного (хотя пока там новые RP примут. ). С чётвёртой, текущие каналы позволяют применять устройства в аэропортах, не меняя их прошивки — базовая станция просто не должна давать им дополнительные каналы при регистрации в сети, и всё.

В общем, вопрос дискуссионный, поэтому резюмирую кратко: в LoRaWAN Regional Parameters для диапазона RU864-870 изменений не будет.

Прошивки устройств менять не требуется, в настройки сети можно по желанию внести новые диапазоны прямо уже сегодня. Устройствам они будут розданы автоматически (но так как уже зарегистрировавшееся устройство уже работает на старой сетке частот, на практике новая будет вводиться или в дополнение к старой для увеличения общего числа каналов, либо во вновь разворачиваемых сетях).

В-четвёртых, гармонизации с Европой у нас по-прежнему нет, использование европейских устройств и европейских настроек всё так же незаконно и может повлечь конфискацию оборудования. Европейские каналы — 868,1, 868,3, 868,5 МГц и 869,525 МГц — по-прежнему ни в один разрешённый в России диапазон не попадают.

433 или 868 мегагерц?

Все чаще автомобильные сигнализации используют для связи между машиной и брелоком не традиционную частоту 433 мегагерц, а более высокую – 868 мегагерц. Что это за новый тренд и какие преимущества получает владелец охранной системы, радиоканал которой работает на этой частоте?

Все мы знаем, что рост частот в компьютерах, в мобильной связи и в прочей современной технике наглядно отражает для обывателя этапы её эволюции. Прогресс затронул и автомобильные охранные системы – появляется все больше моделей с частотой 868 МГц. На эту же частоту постепенно мигрируют стационарные системы охраны для помещений и пожарные сигнализации. В чем смысл такого «частотного реформирования»? Autostudio с удовольствием вам расскажет все в деталях.

Чем плох диапазон 433 МГц?

Во всем мире существуют диапазоны радиочастот, отведенные для безлицензионного использования. Один из самых популярных среди них – 433 МГц. Этот диапазон простирается от 433 до 447 МГц, и удобен тем, что если мощность передатчиков радиооборудования не превышает 10 милливатт, то конечному покупателю не требуется договариваться с радиочастотными службами о разрешениях и лицензиях. Помимо безлицензионности 433 МГц привлекателен хорошим радиусом действия в городской застройке и компактными размерами антенн, вследствие чего на частоте 433,92 МГц до недавнего времени работало подавляющее большинство брелоков автосигнализаций.

Со временем популярность и массовость не могли не сказаться на загрязнении частоты. Всевозможное оборудование, функционирующее вблизи 433 МГц, создает существенные помехи друг другу, ухудшающие стабильность работы, а то и вовсе прерывающие её. Пульты управления шлагбаумами и воротами, устройства для регулировки освещения и радиоуправляемые розетки, детские игрушки и портативные радиостанции – все это и множество другой аппаратуры использует диапазон 433 МГц. Даже домашние погодные станции имеют располагаемый за окном беспроводной датчик давления, температуры и влажности, который связывается с базовым блоком на частоте 433 МГц. И в результате многие автовладельцы больших городов уже столкнулись с ситуациями, в которых машина не реагирует на исправный брелок в зоне сильных радиопомех или, при наличии функции контроля канала, поднимает тревогу, не сумев подтвердить связь. Бывали прецеденты, когда автомобиль приходилось вручную или на тросе вытаскивать из зоны помехи, и только после этого его удавалось снять с охраны и завести.

Встречаем 868 МГц.

Радиооборудования вокруг нас становится с каждым годом все больше, и улучшения ситуации с помехами не предвидится – только наоборот. Поэтому одним из методов борьбы со сложившейся ситуацией является переход на новый диапазон – не засоренный помехами, обладающий всеми достоинствами нынешнего, и в чем-то даже его превосходящий. Речь идет о диапазоне от 868 до 870 мегагерц, который принято называть просто 868 МГц.

Как и 433 МГц, он является безлицензионным, и открыт для использования в большинстве стран мира и в России. Разрешенная мощность в нем составляет все те же 10 милливатт, но проникающая способность радиоволн выше, а ценные метры дальности действия не съедаются помехами, обеспечивая высочайшую защиту — как от случайных, так и от преднамеренных помех. Да и антенны передающих устройств (брелоков и меток) становятся еще меньше, и без ущерба для эффективности часто полностью прячутся внутри брелоков, уменьшая риск поломки и делая устройства эргономичнее.

Высокочастотные сигнализации появляются как у флагманов рынка (к примеру, Pandora DXL 5000 new), так и прочих брендов (Alligator CM-30G, Sheriff ZX-1095, Tomahawk 9.5, Pantera SLK-868RS и т.д.). Многие производители автосигнализаций, работающих в диапазоне 868 МГц, уже обещают до 1000 метров дальности подачи команд с брелока, и до 5000 метров – обратной связи от машины к брелоку. Хотя, конечно же, несмотря на то, что при прочих равных 868 дальнобойнее, чем 433, нельзя забывать, что все эти «маркетинговые километры» проявляются лишь в неких идеально-виртуальных условиях, и в реальности могут быть значительно ниже.

Есть ли альтернатива?

Разработчиков автомобильного охранного оборудования также весьма привлекает диапазон 2,4 ГГц. Хотя это и относительно загруженный диапазон (на этих частотах работают Wi-Fi-интерфейсы компьютеров, смартфонов, точек доступа и т.п.), но при этом и чрезвычайно дальнобойный. Сегодня на 2,4 ГГц уже успешно работают метки иммобилайзеров, рассчитанные на сверхмалый радиус действия в 2-3 метра, но на этой же частоте вполне возможно обеспечить надежную работу брелков на расстоянии около километра – причем километра в реальных условиях, а не в лабораторных. Волны 2,4 ГГц слабо затухают в городской архитектуре, отлично переотражаются и имеют существенно больше шансов дойти до цели при прочих равных условиях, нежели более низкочастотные.

Впрочем, какой бы ни была частота радиоканала, дальнобойность мобильной связи пока вне конкуренции. В моделях сигнализаций, где присутствует GSM-модуль, брелок играет вторичную вспомогательную роль (а иногда и вовсе отсутствует), и, безусловно, проигрывает мобильному телефону в дальности связи. Телефон позволяет быть на связи со своим автомобилем практически всегда и из любого места – будь то оповещение владельца о происходящих тревожных событиях, получение информации о температуре двигателя или напряжении аккумулятора, передача команд, типа дистанционного запуска, прослушивание звуков в салоне и рядом с машиной в режиме реального времени или мониторинг её местоположения.

Весь этот набор функций для комфорта и безопасности всегда находится в вашем телефоне, не боится практически никаких помех и зависит лишь от баланса на сим-карте. Подобным функционалом обладают, к примеру, такие модели сигнализаций, как AUTOLIS Mobile, Pandora DXL 4300/4400, Pandora DXL 3700, Pandora DXL 3900, Pandora DXL 3910, Pandora DXL 3930, Pandora DXL 5000, StarLine E90 GSM, StarLine A94 GSM, StarLine B94 GSM, StarLine B94 GSM/GPS, которые специалисты Autostudio заслуженно считают наиболее надежными в плане обеспечения круглосуточной стабильной связи машины с хозяином.

Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi) и 434/868 МГц

В течение последних двух лет ощущается растущий интерес разработчиков радиоэлектронной аппаратуры к стандартам и технологиям беспроводной связи на коротких расстояниях: Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi и в частотных диапазонах 434/868 МГц. Для удобства далее данную группу стандартов будем называть Short Range RF.

Для каждого стандарта группы Short Range RF существует большое многообразие радиочастотных модулей различного уровня готовности, отличающихся друг от друга техническими параметрами и характеристиками. Актуальность приобретает проблема выбора конкретной технологии Short Range RF и конкретной элементной базы для применения в проекте. Решению этой задачи и посвящен данный материал.

Термины и классификация

Сразу определимся с терминологией. Модулем в рамках данной статьи будем считать приемопередающее радиотехническое устройство, предназначенное для монтажа внутрь другого более сложного устройства.

Все стандарты и технологии беспроводной передачи данных могут быть классифицированы по ряду формальных параметров. В таблице 1 приведена общая классификация наиболее актуальных на данный момент стандартов беспроводной передачи данных.

Таблица 1. Общая классификация основных стандартов беспроводной передачи данных

ZigBee	Bluetooth	Wi-Fi	434/868 МГц	GSM/GPRS/EDGE	3G
Частотный диапазон, МГц	2400–2483	2400–2483	2412–2484	434/868	900/1800	1885–2025; 2110–2200
Скорость передачи данных, кбит/с	250	721	11000/54000	500	14,4/171/473	144/384/2048
Дальность связи, м	200	класс 1 — 100; класс 2 — 10; класс 3 — 1	100	1000	во всей зоне покрытия	во всей зоне покрытия
Потребление тока, active мА/sleep мкА	30/1	70/20	450	30/1	350/3500	350/3500
Модуляция, доступ к среде	DSSS	FHSS	DSSS	FHSS	TDMA/ FDMA	TDMA/ FDMA/CDMA
Топология системы	«точка–точка», «звезда», сеть	«точка–точка», «звезда», сеть	«точка–точка», звезда	«точка–точка», «звезда», сеть	сотовая сеть	сотовая сеть

Стандарты сотовой связи GSM/GPRS/EDGE и 3G в данном случае обсуждать не будем. Рассмотрим более внимательно технологии ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth и 434/868 МГц. Существуют три технических параметра, которые наиболее часто определяют область применения того или иного стандарта группы Short Range RF в конкретном приложении пользователя: энергопотребление (или потребление тока), дальность связи и скорость передачи данных. По значению этих параметров можно условно выделить следующих лидеров:

• Wi-Fi обладает максимальной скоростью передачи данных.
• ZigBee и технологии 434/868 МГц обладают минимальным энергопотреблением.
• Технологии 434/868 МГц обладают максимальной дальностью действия в прямой видимости.

Данная классификация является достаточно спорной. Сразу оговоримся, что она принята для упрощения предварительного обзора стандартов Short Range RF. На самом деле, как станет видно дальше, стандарты Short Range RF на практике часто пересекаются друг с другом, иногда объединяясь с целью завоевания новых ниш на рынке, иногда вступая в конкуренцию на уже существующих его сегментах. Например, ZigBee «старается» увеличить свою скорость передачи данных и повысить дальность связи, Wi-Fi «стремится» повысить дальность связи и снизить энергопотребление и т. д. Поэтому на практике достаточно сложно провести границу между различными стандартами Short Range RF.

Bluetooth

Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность/дальность/скорость. По своей функциональности и возможности применения в различных приложениях он имеет наибольшее число пересечений с другими стандартами группы Short Range RF. Поэтому для начала рассмотрим именно его.

Основная идея Bluetooth [1] заключалась в создании универсального, надежного и очень дешевого радиоинтерфейса беспроводного доступа. Технология Bluetooth позволяет обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом гарантируется его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием. Как было указано в таблице, существует всего три класса устройств Bluetooth, если градировать их по излучаемой мощности: 1-й — до 100 метров (до 100 мВт); 2-й — до 10 метров (до 2,5 мВт); 3-й — до 1 метра (до 1 мВт).

Для определения модели поведения при установлении соединения между различными типами устройств в технологии Bluetooth введено понятие профиль. Этим термином обозначается набор функций и возможностей, которые использует Bluetooth в качестве механизма транспортировки. Профили гарантируют возможность обмена информацией между устройствами разных производителей. Bluetooth SIG определяет 15 стандартных профилей:

• Generic Access Profile (GAP);
• Service Discover Application Profile (SDAP);
• Serial Port Profile (SPP);
• Dial-up Networking Profile (DUNP);
• Generic Object Exchange Profile (GOEP);
• Object Push Profile (OPP);
• File Transfer Profile (FTP);
• Synchronization Profile (SP);
• AV Control, Headset Profile (HSP);
• Advanced Audio Distribution Profile (A2DP);
• Basic Imaging Profile (BIP);
• Handsfree Profile (HFP);
• Human Interface Device Profile (HID);
• LAN Access Profile (LAP);
• Sim-Card Access Profile (SAP).

По характеру взаимодействия со внешними устройствами и приложениями архитектура всех существующих модулей Bluetooth может быть разделена на три вида [2] (рис. 1). Модули с двухпроцессорной архитектурой (рис. 1а) не содержат в себе программного высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей. Это значит, что необходимые профили Bluetooth должны быть реализованы на внешнем процессоре. Взаимодействие внешнего процессора с модулем происходит через виртуальный интерфейс HCI (Host Controller Interface). В частном случае HCI может быть реализован через аппаратный интерфейс SPI или UART.

Рис. 1. Разновидности архитектуры модулей стандарта Bluetooth:
а) двухпроцессорная;
б) встроенная двухпроцессорная;
в) однопроцессорная

Модули Bluetooth со встроенной двухпроцессорной архитектурой (рис. 1б) являются наиболее распространенными. Данная разновидность архитектуры подразумевает наличие стека Bluetooth высокого уровня с поддержкой стандартных профилей непосредственно во внутреннем процессоре модуля. В этом случае приложение, работающее на внешнем процессоре, взаимодействует с модулем Bluetooth через аппаратные интерфейсы.

Однопроцессорная архитектура (рис. 1в) является наименее распространенной. Для ее реализации разработчик должен создать специальное приложение, которое будет работать на внутреннем процессоре модуля Bluetooth. В этом случае модуль превращается в автономное устройство, доступ к которому через внешние аппаратные интерфейсы закрыт.

Принадлежность модуля к той или иной архитектуре может определяться как его аппаратной реализацией, так и внутренним программным обеспечением. Например, в частном случае один и тот же модуль Bluetooth может быть отнесен к любой из трех разновидностей архитектуры в зависимости от типа прошивки, загруженной во внутренний процессор модуля. Такой подход пользуется наибольшей популярностью среди зарубежных производителей.

Немного истории

Чтобы получить наиболее полное представление о роли Bluetooth среди других представителей группы Short Range RF, обратимся к истории (рис. 2). Развитие Bluetooth с самого начала шло по пути увеличения скорости обмена данными, снижения энергопотребления, повышения безопасности и надежности соединения. Вплоть до версии 3.0 сохранялась обратная совместимость всех версий Bluetooth между собой. До сих пор в эксплуатации встречаются устройства Bluetooth версий 1.1 и 1.2, которые успешно используются совместно с 2.0 и 2.1.

Рис. 2. Хронология развития стандарта Bluetooth

Bluetooth 3.0 является чем-то средним между Bluetooth и Wi-Fi. Модули с ее поддержкой соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 (Wi-Fi) и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Это один из наиболее ярких примеров объединения двух разных технологий для завоевания новых сегментов рынка. Правда, успеха эта попытка не имела: распространения Bluetooth 3.0 не получил.

Bluetooth 4.0 не имеет обратной совместимости с предыдущими версиями. Сверхнизкое энергопотребление достигается за счет использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета 8–27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 мс и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное шифрование.

Предполагается, что Bluetooth 4.0 будет конкурировать и вытеснять ZigBee в классе малопотребляющих радиочастотных устройств с поддержкой сложных сетей. Это также является ярким примером пересечения двух разных технологий, в данном случае — ZigBee и Bluetooth.

Плюсы и минусы

Проанализировав современное состояние технологии Bluetooth, можно обозначить плюсы и минусы. К достоинствам стандарта относятся:

• высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей;
• защита передаваемых данных;
• низкая стоимость;
• высокая дальность действия (до 1000 м);
• универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Среди недостатков отметим:

• Относительно высокое энергопотребление (работа от автономных источников питания не всегда возможна). Предполагается, что этого недостатка будет лишена новая версия спецификации Bluetooth 4.0.
• Относительно невысокая скорость обмена данными (до 1 Мбит/с). Как правило, реальная скорость обмена данными ограничивается пропускной способностью внешних аппаратных интерфейсов модуля.

Одно из основных преимуществ стандарта Bluetooth заключается в его высоком уровне стандартизации и широчайшем распространении в составе пользовательских электронных устройств. Это позволяет в ряде случаев практически в два раза сэкономить время и затраты на разработку при проектировании некоторой системы сбора данных, телеметрии или управления на основе Bluetooth, поскольку в качестве одной из сторон беспроводного обмена данными может выступать, например, обычный серийно выпускаемый ноутбук или коммуникатор с поддержкой данной технологии.

Области применения

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения в России и за рубежом:

• Автомобильная электроника. Модули Bluetooth могут использоваться в бортовых автомобильных системах контроля и управления. Эта область применения характерна для России.
• Системы удаленного управления и телеметрии. Здесь устройства Bluetooth могут использоваться наряду с модулями технологий Wi-Fi, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Данная область применения в равной степени актуальна как для России, так и для зарубежных стран.
• Компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth. Это применение характерно в основном для зарубежных производителей.

Устройства Bluetooth

В качестве примера рассмотрим хорошо известные в России недорогие модули Bluetooth производства тайваньской компании Rainsun (табл. 2). Характерной особенностью данных изделий является то, что они имеют встроенный стек с поддержкой одного из стандартных профилей Bluetooth (выбирается по заказу) и не имеют командного интерфейса. Для перенастройки модуля необходимо специальное оборудование и программное обеспечение. В разных применениях это может быть как достоинством, так и недостатком. С одной стороны, модуль внутри конечного устройства клиента полностью защищен от внешних несанкционированных воздействий. Настройки его не могут быть сбиты или нарушены без применения специальной аппаратуры. Но с другой стороны, пользователь не может оперативно вмешаться в настройки модуля, если есть такая необходимость.

Финская компания Bluegiga предлагает обширную линейку модулей [3–8] (табл. 3), которая перекрывает практически весь диапазон возможных применений Bluetooth. В линейке продукции этой компании можно выделить модуль WT41. За счет высококачественной радиочастотной части, собранной на дискретных компонентах, и специальной встроенной антенны с высоким коэффициентом усиления он обеспечивает дальность связи до 1000 метров. Это значит, что модуль может успешно конкурировать с технологиями 434/868 МГц. Это еще один типичный пример пересечения двух технологий группы Short Range RF.

Модуль BLE112 — самый новый в линейке [8]. Он поддерживает стандарт Bluetooth версии 4.0 и не имеет обратной совместимости с предыдущими версиями. BLE112 предназначается для конкуренции с модулями ZigBee в классе малопотребляющих радиочастотных устройств с поддержкой сложных сетей.

Стандарт беспроводной передачи данных Wi-Fi был создан специально для объединения нескольких компьютеров в единую локальную сеть. Обычные проводные сети требуют прокладки множества кабелей через стены, потолки и перегородки внутри помещений. Также имеются определенные ограничения на расположение устройств в пространстве. Беспроводные сети Wi-Fi лишены этих недостатков: можно добавлять компьютеры и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные устройства Wi-Fi используют радиоволны из спектра частот, определенных стандартом IEEE 802.11. Существует четыре разновидности стандарта Wi-Fi (табл. 4). 802.11n поддерживает работу сразу в двух частотных диапазонах одновременно на четыре антенны. Суммарная скорость передачи данных при этом достигается 150–600 Мбит/с.

Таблица 4. Разновидности стандарта Wi-Fi

Стандарт	802.11b	802.11g	802.11a	802.11n
Количество используемых неперекрывающихся радиоканалов	3	3	3	11
Частотный диапазон, ГГц	2,4	2,4	5	2,4/5
Максимальная скорость передачи данных в радиоканале, Мбит/с	11	54	54	150–600

Плюсы и минусы

Сформулируем некоторые ключевые особенности стандарта Wi-Fi. К его достоинствам относятся:

• высокая скорость передачи данных;
• компактность;
• большое разнообразие модулей под разные задачи;
• высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей;
• защита передаваемых данных.

Основные недостатки таковы:

• большое энергопотребление и невозможность работы в течение длительного времени от автономных источников питания;
• относительно высокая стоимость (по сравнению с Bluetooth и ZigBee).

Области применения

Характерные особенности стандарта Wi-Fi диктуют основные области его применения. Это:

• Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi могут применяться в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии.
• Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi могут применяться наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации.
• Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.

Все перечисленные применения в одинаковой мере актуальны для России и других стран с достаточным уровнем технического оснащения.

Устройства Wi-Fi

Одним из наиболее популярных в России производителей модулей Wi-Fi является тайваньская компания WIZnet. В линейке ее продукции присутствует четыре их основных разновидности (табл. 5). Модуль WIZ610wi [9] был одной из первых разработок компании. В нем имеется богатый функционал, предоставляемый встроенным стеком Wi-Fi высокого уровня с поддержкой командного интерфейса. Но модуль имел некоторые технические проблемы: очень высокое энергопотребление, сильный нагрев во время работы и большое время загрузки после включения питания. Большинство этих проблем было устранено в модуле WIZ620wi [10], который, по сути, представляет собой улучшенную и усовершенствованную версию модуля WIZ610wi. Кроме того, WIZ620wi стал поддерживать Wi-Fi 802.11n (2,4 ГГц), на что не был способен его предшественник.

Модуль WizFi210 [11] — самый новый и самый перспективный в линейке. Функционал его ограничен только поддержкой режима работы Serial–Wi-Fi, благодаря чему удалось значительно снизить энергопотребление устройства. Добавлены режимы пониженного энергопотребления (в режиме Standby всего 5 мкА). По этим показателям модуль приближается к некоторым разновидностям модулей Bluetooth и даже ZigBee. Это еще один пример попытки нескольких беспроводных стандартов Short Range RF вступить в конкуренцию.

Модуль WizFi220 — полный аналог модуля WizFi210, но с увеличенной выходной мощностью. Дальность связи может достигать нескольких сотен метров, что позволит ему в ряде случаев конкурировать с модулями, поддерживающими радиосвязь в частотных диапазонах 434/868 МГц и с Bluetooth-модулем WT41 компании Bluegiga (табл. 3).

ZigBee

В случаях, когда дальность радиосвязи в прямой видимости оказывается недостаточно большой и возникает необходимость ее наращивания при сохранении энергопотребления на низком уровне, целесообразно обратить внимание на стандарт беспроводной связи ZigBee. Характерные особенности данного стандарта позволяют:

• Создавать сложные сетевые решения с автоматической маршрутизацией, ретрансляцией пакетов данных и автоматическим восстановлением сети в случае выхода из строя отдельных узлов.
• Обеспечивать высокий уровень защиты передаваемых данных.
• Гибко настраивать узлы сети.
• Поддерживать в одной сети от нескольких сотен до нескольких тысяч узлов.
• Получить скорость обмена данными 250 кбит/с по радиоканалу.

Для облегчения процесса разработки и обеспечения максимальной совместимости устройств ZigBee разных производителей между собой была разработана библиотека ZigBee-кластеров (ZigBee Cluster Library, ZCL) [12]. Этот документ вводит понятие стандартных типов устройств, стандартных команд для этих устройств, наборы стандартных атрибутов, диапазоны значений этих атрибутов, типы данных для задания значений атрибутов и т. д. ZCL группирует кластеры по целевому предназначению: общего назначения; для работы с датчиками; для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т. д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием всех новых спецификаций ZigBee с 2007 г.

Для стандартных типов устройств существуют стандартные профили приложения [13]. Спецификация профиля определяет параметры, необходимые для совместной работы устройств в одной сети. Существует по крайней мере два основных профиля:

• Home Automation. Этот профиль дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «Умный дом». Он регламентирует работу устройств управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т. д.
• Smart Energy. Этот профиль позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов.

Плюсы и минусы

Исходя из особенностей стандарта ZigBee, сформулируем его плюсы и минусы.

• защита передаваемых данных;
• поддержка сложных беспроводных сетей;
• ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет).

• недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы для разработки сложных приложений;
• невысокая скорость передачи данных. Большая часть трафика ZigBee тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, пакеты синхронизации и т. д. Полезная скорость передачи данных составляет около 30 кбит/с.

Области применения

Основные области применения технологии ZigBee:

• Домашние развлечения и контроль — рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.
• Домашнее оповещение — датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.
• Мобильные службы — мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.
• Коммерческое строительство — мониторинг энергии, света, контроль доступа.
• Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

Устройства ZigBee

В качестве примера рассмотрим линейку модулей стандарта ZigBee известной итальянской компании Telit, построенных на основе чипа CC2430 от TI [14–16] (табл. 6). Размеры всех указанных модулей 21×14,2×2,2 мм.

Модули ZE50 и ZE60 на данный момент считаются достаточно устаревшими. Вместо них во всех новых проектах рекомендуется использовать ZE51 и ZE61 соответственно. Немаловажно то, что компания Telit является членом ассоциации ZigBee Alliance. Вся линейка модулей может предоставляться со встроенным стеком ZigBee, поддерживающим стандартные профили этой технологии. Также существует возможность поставки модулей без стека. Такой вариант будет стоить дешевле, но конечному разработчику придется взять на себя все затраты, связанные с разработкой собственной модификации ZigBee-стека и его лицензированием в ассоциации ZigBee Alliance.

В развитии линейки модулей компании Telit прослеживается явная тенденция к увеличению дальности радиосвязи при сохранении низкого энергопотребления. Налицо явная попытка стандарта ZigBee конкурировать с технологиями частотных диапазонов 434/868 МГц, предназначенными для радиосвязи на больших расстояниях.

434/868 МГц

Иногда на практике встречаются ситуации, когда ни один из существующих стандартов беспроводной связи Short Range RF не удовлетворяет требованиям приложения разработчика. Специально для таких случаев во всем мире существует группа радиочастотных диапазонов 434/868 МГц, открытых для свободного использования, в которых не существует стандартов беспроводной связи. Устройства для передачи данных на этих РЧ имеют следующие отличительные особенности:

• Отсутствие стандартизации. Каждый разработчик может создавать свой стек протоколов взаимодействия между устройствами радиосети.
• Большое разнообразие компонентов. Разработчик всегда может подобрать компоненты, оптимальным образом соответствующие требованиям проекта по цене, степени интеграции, способу монтажа и т. д.
• Большая дальность действия по сравнению с устройствами диапазона 2,4 ГГц. Радиоволны ВЧ-диапазона менее интенсивно затухают при распространении в различных средах и лучше огибают физические препятствия.
• Относительно невысокая скорость по сравнению с устройствами диапазона 2,4 ГГц.

Плюсы и минусы

Бесспорные достоинства Short Range RF 434/868 МГц:

• высокая дальность (до 10 км);
• ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет);
• возможность беспрепятственной разработки собственного стека.

• невысокая скорость передачи данных (до нескольких десятков кбит/с).

Области применения

Характерные особенности технологий 434/868 МГц ограничивают их применение следующими областями:

• Системы контроля доступа и безопасности:
  – бесконтактные ключи и карты доступа;
  – автомобильные сигнализации.
• Бытовая электроника:
  – пульты дистанционного управления;
  – беспроводные станции погодного мониторинга;
  – радиоуправляемые игрушки;
  – персональные пейджеры.
• Системы домашней автоматизации.

Устройства для РЧ-диапазона 434/868 МГц

Telit пошла по пути стандартизации радиосвязи в частотных диапазонах 434/868 МГц [17]. Продукция этой компании представляет собой полноценные программно-аппаратные заготовки в виде модулей со встроенным стеком собственной разработки для максимального ускорения и удешевления процесса разработки, производства и вывода на рынок конечного продукта (рис. 3).

Рис. 3. Идеология компании Telit при разработке решений для радиочастотного диапазона 434/868 МГц

В линейке продукции Telit присутствует два основных семейства: Tiny (Pro, Plus, Lite) [20–21] и XE50 [22–24]. Семейство Tiny является на данный момент уже устаревшим. Основная концепция данного семейства заключается в возможности свободной загрузки в модули различных разновидностей программного стека, предоставляемого Telit бесплатно по запросу. Модули семейства XE50 отличаются между собой по разновидностям заранее загруженного в них программного стека.

Модули Sim20-A и Sim20-B [25] китайской компании SimCom имеют много общего с модулями Telit (табл. 7). Они поставляются со встроенным программным стеком универсального назначения. Поддерживаются варианты соединения «точка–точка», «звезда», сеть. Выбор конкретного типа соединения и настройка модуля для работы в сети выполняются с помощью встроенного командного интерфейса.

При продвижении своих модулей компания SimCom придерживается традиционно агрессивной ценовой политики. Можно с уверенностью сказать, что Sim20 — это самое бюджетное решение в классе модулей со встроенным программным стеком.

Заключение

В заключение обобщим рассмотренный материал. Для удобства анализа и восприятия предлагается схема (рис. 4).

Рис. 4. Тенденции развития и пути взаимодействия стандартов беспроводной связи Short Range RF

Как неоднократно отмечалось ранее, все стандарты группы Short Range RF пересекаются по многим своим параметрам и пытаются конкурировать между собой в одних и тех же практических приложениях и сегментах рынка. На рисунке стрелками показано направление развития каждого стандарта.

Между блоками «434/868 МГц» и «Wi-Fi» отсутствует стрелка «Скорость». Дело в том, что у технологий 434/868 МГц отсутствует потенциал по наращиванию скорости обмена данными. Это связано с ограниченностью данных частотных диапазонов, что в принципе не позволяет реализовать скорость обмена данными больше нескольких сотен кбит/с.

Между блоками «434/868 МГц» и «ZigBee» проведена двусторонняя стрелка «Экономичность». Это означает, что по данному параметру оба стандарта практически эквивалентны.

Стандарт Bluetooth является компромиссом с точки зрения соотношения параметров дальность/скорость/экономичность. Bluetooth стремится приблизиться по своим параметрам ко всем трем стандартам. Из рассмотренного материала следует, что ей это удается вполне успешно, поэтому технология Bluetooth представляется наиболее перспективной с точки зрения применения в подавляющем большинстве проектов.

Как итог рассмотренного материала можно отметить и то, что на практике разделение между всеми стандартами беспроводной связи группы Short Range RF носит условный характер. Стандарты перекрываются друг другом и могут конкурировать в одних и тех же проектах. Часто выбор той или иной технологии беспроводной связи зависит от субъективных предпочтений разработчика или определяется какими-либо внешними специфическими условиями. Это могут быть: