Ошибки конструкции беспроводной сети

Прогнозируется, что промышленный Интернет вещей IIoT, обладающий потенциалом обеспечения экономии энергии и эксплуатационных затрат практически во всех аспектах производства, включая транспортировку и хранение, будет расти в геометрической прогрессии. Беспроводное подключение может ускорить внедрение IIoT благодаря простоте установки, применения и реконфигурации. Однако аргументы против использования беспроводной связи в приложениях IIoT сосредоточены вокруг ее надежности и основаны главным образом на негативном опыте пользователей. Все, от беспроводных клавиатур до агрегаторов данных, страдает от ограничений дальности действия, причем одна цементная стена иногда является абсолютным убийцей дальности! Надежность и безопасность имеют решающее значение для беспроводной связи на промышленных объектах, где сбой невозможен.

К счастью, в последнее время надежность беспроводной связи значительно улучшилась. Значительные достижения в сетевой архитектуре и производительности радиочастот привели к внедрению бесчисленного количества устройств, использующих беспроводную связь ближнего радиуса действия в суровых промышленных условиях, таких как нефть и газ, а также интеллектуальные счетчики электроэнергии. Однако по мере взросления легко ошибочно предположить, что все беспроводные технологии работают хорошо. Хотя создавать прототипы продуктов, поддерживающих беспроводную связь, становится все проще, низкая производительность обычно объясняется недостатком опыта и знаний у проектировщика. Неисправностей можно избежать, если с самого начала следовать простым рекомендациям по проектированию. Проще говоря, беспроводное соединение не будет работать без правильного радиочастотного проектирования. Практически невозможно устранить все возможные причины, по которым радиочастотная конструкция может не работать, но, рассмотрев распространенные ошибки, допущенные ранее, их можно, по крайней мере, избежать.

Возможно, наиболее важной частью радиочастотной системы является антенна – кусок металла, который направляет электромагнитное излучение в воздух. Чтобы радиочастотное изделие работало как можно лучше, размер антенны должен соответствовать частоте радиочастотных сигналов, которые она передает/принимает, и располагаться там, где она может излучать свободно и беспрепятственно. ВЧ-модуль со встроенной антенной должен располагаться на краю несущей платы с вырезом для заземления. К антенне применимы следующие рекомендации:

Радиочастотные цепи чувствительны к электрическим и магнитным шумам. Электрический шум может содержать высокочастотные гармоники, снижающие чувствительность радиочастотного приемника, или может быть модулирован и передан радиочастотным передатчиком, что приводит к внеполосным излучениям. Радиочастотная цепь должна располагаться вдали от системы с высокоскоростным процессором и шиной памяти, поскольку гармоники, создаваемые быстрыми тактовыми сигналами, также могут снизить чувствительность радиочастотного приемника. Также не следует размещать радиочастотные схемы рядом с переключающими компонентами, такими как симисторы, импульсные источники питания или схемы управления электродвигателями. Переходные процессы, возникающие при переключении напряжения, могут передаваться по радио в виде импульсов, снижая чувствительность радиочастотного приемника.

Радиочастотные устройства обычно переходят из состояния очень низкого энергопотребления, когда потребляемый ток составляет порядка микроампер, в активное состояние, где типичное потребление тока составляет порядка нескольких миллиампер. Если источник питания (батарея), питающий радиочастотное устройство, выбран неправильно, резкие изменения потребляемого тока могут привести к провалам напряжения, что может привести к сбросу радиочастотного устройства и, следовательно, к неправильной передаче. Если РЧ-схема недостаточно развязана и уровень напряжения источника питания близок к порогу сброса, ВЧ-схема может быть сброшена из-за провалов напряжения во время беспроводной передачи.

Некоторые реальные примеры вышеупомянутых ошибок включают в себя:

Радиочастотная антенна расположена близко к шуму — Шлюз с высокоскоростным процессором реализован на двух платах — одна для платы процессора, другая со встроенной антенной, расположенной рядом с шиной памяти. Дальность действия полученного изделия составила всего около 2 метров. При перепроектировании антенна была перенесена от шины памяти и как можно дальше от печатной платы ЦП (учитывая ограничения корпуса), а дальность действия продукта увеличилась до более чем 30 метров.