Jak częstotliwość wpływa na zdolność do przemieszczania obiektów w transmisjach RF?

A może jakie są najlepsze pasma / modulacje do wyboru, jeśli muszę skutecznie przesyłać dane po ścieżce z metalowymi przeszkodami?

Muszę zbudować szereg urządzeń do okresowego przesyłania krótkich serii danych w dużym magazynie pełnym metalowych pojemników (które są albo puste, albo pełne nieznanych treści). Testy z transceiverami ZigBee (np. Linia ZigBit Atmela) przeprowadzałem z różnym powodzeniem. Miałem bardzo słabe wyniki w pasmach 2,4 GHz i bardzo akceptowalne wyniki w pasmach 900 MHz. Jednak niektórzy ludzie, których spotkałem, powiedzieli mi, że mieli dokładnie odwrotne doświadczenia (w ich przypadku używali modułów XBee 2,4 GHz / 900 MHz). Wiem, że 433 MHz to również wspólne pasmo i oczywiście jest tam również 5,8 GHz.

Tak więc główna część pytania dotyczy tego, czy istnieje jakaś tabela lub powszechna wiedza na temat częstotliwości, które są szczególnie dobre lub złe dla tego rodzaju transmisji. Interesują mnie pasma, których mogę używać w małych urządzeniach (np. Wielkości telefonu) z zasilaniem bateryjnym. Zasięg 50 ~ 100 metrów / jardów z przeszkodami byłby bardzo miły. Ponadto powinien istnieć pewien rodzaj chipsetu lub modułu dostępnego na rynku do obsługi części RF urządzenia (tj. Modulacja, interfejs RF, wykrywanie czystego kanału, wykrywanie preambuły itp.); Sam poradzę sobie z protokołami wyższego poziomu.

Idealnie byłoby pasmem, dla którego mogę użyć jakiejś anteny, która nie odstąpiłaby zbyt łatwo, gdyby była umieszczona bardzo blisko dużego metalowego przedmiotu (1 cal / 2,5 cm od niego). Testowałem głównie z antenami biczowymi i śrubowymi. Moje urządzenia muszą być umieszczone bardzo blisko metalowych powierzchni, które trzeba pokonać!

Nie mogę jednak liczyć na: kierunkowość anteny, lokalizację / orientację urządzenia, ustalone lokalizacje nadajnika-odbiornika itp. Wszystkie urządzenia będą rozmieszczone bardzo przypadkowo i rzadko. Muszę tylko zrobić wszystko, co w mojej mocy. Jedyną rzeczą, na którą mogę liczyć, jest to, że urządzenia będą zawsze stać w pozycji pionowej.

rf xbee zigbee transceiver

— Guillermo Prandi
źródło

Cofnij się i spróbuj opisać funkcjonalnie to, co próbujesz osiągnąć, nie wspominając o typach radia lub transmisji.

— Andy alias

@ Andy, dziękuję za zainteresowanie. Dalsze informacje o aplikacji są nieistotne, ponieważ nie mogę nic na ten temat zmienić. Potrzebuję porady na temat rodzajów radia i transmisji.

— Guillermo Prandi

Proszę o funkcjonalne opisanie tego, czego potrzebujesz - nie proszę o zapomnienie o radiu.

— Andy alias

Muszę stworzyć rodzaj „siatki” między węzłami z czujnikami zainstalowanymi magnetycznie na drzwiach metalowych pojemników. Każdy czujnik jest zasilany bateryjnie i musi przesyłać dane do anteny bazowej (która, nawiasem mówiąc, musi mieć tę samą elektronikę co węzły i jest umieszczona w jednym rogu pomieszczenia). Dane są przesyłane co 4 minuty, a liczba węzłów może wzrosnąć od kilku do kilku tysięcy. Istnieje protokół (już przetestowany w symulacjach oprogramowania), który może obsłużyć tak wiele węzłów, pod warunkiem, że czas wysłania pakietu danych jest poniżej określonych limitów; widoczność węzła jest kluczem. To pomaga?

— Guillermo Prandi

Czy plan czujników drzwi ma być „tylko transmitować”, tj. Tylko ślepe nadajniki i tak, twój opis funkcji pomaga w obciążeniach. Jeśli tylko transmisja, to mogę powiedzieć, że stworzyłem podobny system i aby działał w mniej niż idealnych warunkach RF, użyłem wielu odbiorników strategicznie umieszczonych na zasilanym fantomem RS485 zasilającym jednostkę zbierającą dane. Pomyśl o tym jak o systemie komórkowym, w którym początkowo najlepszy odbiornik dla danego nadajnika został ustanowiony w procesie konfiguracji, a następnie każdy odbiornik otrzymał polecenie przekazywania tylko danych z niektórych nadajników.

— Andy alias

Odpowiedzi:

Zasadą stosowaną przez wiele osób jest to, że niższe częstotliwości będą miały lepszą „penetrację” niż wyższe częstotliwości. To prawda w niektórych przypadkach, ale nie we wszystkich. Prawdopodobnie wynika to z obliczenia głębokości skóry materiałów. Głębokość skóry polega na tym, jak głęboko w materiał może przenikać fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości. Równanie stosowane, gdy materiał jest dobrym przewodnikiem, to:

δ = \sqrt{\frac{2) ρ}{ω μ}}

$\delta = \sqrt{\frac{2\rho}{\omega\mu}}\$

gdzie ρ jest opornością, a μ jest przepuszczalnością materiału. Należy jednak zauważyć, że jako częstotliwość ( $\omega$ ) staje się większa, głębokość skóry staje się płytsza. Oto praktyczny przykład tego, co to oznacza: kuchenka mikrofalowa wystrzeliwuje fale radiowe z częstotliwością 2,4 GHz. Jeśli umieścisz tam gigantyczny gruby stek, a my zmierzymy jego rezystywność i przepuszczalność, możemy obliczyć maksymalną grubość steku, który możesz ugotować w kuchence mikrofalowej. Coś głębszego niż głębokość skóry nie zostanie ugotowane, ponieważ cała energia mikrofalowa zostanie już pochłonięta.

Istnieją takie wykresy, jak wspomniałeś, o tym, jak dobrze różne materiały pochłaniają fale radiowe, ale nie są one liniowe ani przewidywalne, więc nie ma tak naprawdę prostej reguły, która byłaby łatwa do zastosowania. Oto jak dobrze każdy element w tabeli okresów absorbuje fotony (promieniowanie elektromagnetyczne). Energia na osi Y jest proporcjonalna do częstotliwości:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Ale ta tabela absorpcji żelaza (według różnych mechanizmów) pokazuje, jak robi się bałagan po powiększeniu:

Ale w twojej aplikacji jest jeszcze jeden czynnik, który prawdopodobnie ma większy efekt. Kiedy twój nadajnik zaczyna jechać w twoim dużym obiekcie, wysyła falę elektromagnetyczną we wszystkich kierunkach (zakładając, że nie używasz anteny kierunkowej). Fale te będą podróżować w powietrzu, dopóki nie napotkają innego ośrodka, takiego jak metal w pojemnikach. Kiedy fala uderza w ten pojemnik, część energii jest absorbowana do pojemnika, a część odbija się od pojemnika. Odbita część będzie podróżować, dopóki nie uderzy w coś innego, a następnie niektóre zostaną wchłonięte, a niektóre ponownie zostaną odbite. Nazywa się to wielościeżkowym. Twoja antena odbiorcza może otrzymać kilka kopii oryginalnie transmitowanego sygnału, wszystkie z niewielkim opóźnieniem. Tutaj'

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Ponieważ efekty wielościeżkowe mogą powodować destrukcyjne wzajemne zakłócenia fal, prawdopodobnie dlatego uzyskuje się sprzeczne wyniki. Położenie anteny, nadajnika i pojemników bardzo zmieni wydajność, a jeśli rzeczy będą się poruszać w obiekcie, możesz otrzymać świetny sygnał, a potem nagle będzie okropnie.

Radzenie sobie z wieloma ścieżkami jest trudne, ale oto kilka rzeczy, których możesz spróbować. Ustaw antenę odbiorczą na kierunkową, aby miała ona niską czułość na odbite sygnały. Jeśli możesz umieścić anteny wysoko nad kontenerami, to też może pomóc. Eksperymentowałbym z nadajnikiem 433 MHz (istnieje wiele firm, które produkują moduły), ponieważ myślę, że uzyskasz lepszą wydajność w porównaniu z 2,4 GHz lub 5,8 GHz.

— aloishis89
źródło

Dziękuję za Twoją odpowiedź! Rzeczywiście jest to koszmarny scenariusz transmisji RF. Antena nie jest bardzo kierunkowa, ponieważ nie mogę przewidzieć położenia każdego czujnika. To klasyczny dipol z biczem 1/4 fali, więc jest „bardziej poziomy niż pionowy”, co jest dla mnie dobre. Zgadzam się z tobą, że wielościeżka jest dużym problemem. Problem stanowi także strojenie anteny; Nie jestem ekspertem od anten, więc trudno mi przewidzieć, jak wpłynie na to środowisko (a nawet obudowa urządzenia!). Wszelkie wskazówki na ten temat?

— Guillermo Prandi

Cóż, jeśli stoi na uziemionej metalowej powierzchni, to dobrze wpływa na wydajność. Oczywiście nie wkładaj anteny do metalowej obudowy. Aby mieć pewność, że cała energia zostanie wypromieniowana, możesz użyć miernika SWR.

— aloishis89

Nie ma go na metalowej powierzchni: jest obok! Metalowe pojemniki mają 2,5 metra wysokości, a urządzenie umieszcza się na połowie wysokości. Przepraszam, że tego nie wyjaśniłem.

— Guillermo Prandi

To sprawi ci problemy, ponieważ ściany pojemnika równolegle do anteny same zaczną promieniować (efekt obrazu) i anulują fale z anteny. Antena również połączy się z metalowymi ścianami i jej impedancja zmieni się, dzięki czemu otrzymasz większy VSWR (co jest złe). Spróbuj więc użyć anteny pionowo spolaryzowanej (w stosunku do metalowych ścian) i użyj miernika SWR, aby upewnić się, że antena jest dopasowana (tj. Cała energia z nadajnika jest emitowana przez antenę, nie odbijana z powrotem do obwodu nadajnika).

— aloishis89

Pionowe „w stosunku do metalowych ścian” byłoby do nich prostopadłe czy równoległe? (urządzenie jest zainstalowane na ścianie, w pobliżu jego środka). Testowałem z batami ustawionymi pionowo (jak stojąc z podłogi, równolegle do ścian pojemników). Próbowałem też z antenami spiralnymi, również w pozycji pionowej. Przy okazji, jak mogę określić polaryzację tego rodzaju anteny? digikey.com/product-detail/en/W3012/553-1676-1-ND/2543337

— Guillermo Prandi

Wyższe częstotliwości mają tendencję do większego załamania i bardziej dramatycznie reagują na ostre kąty, jak w przypadku propagacji krawędzi noża. Czasami może to być dobre, ponieważ pozwala Twojemu sygnałowi dotrzeć do miejsc, do których inaczej nie mógłby dotrzeć. Może być konieczne zmodyfikowanie anteny po jej zamontowaniu, ponieważ metalowe pojemniki wpłyną na rezonans anteny, ale modyfikując je w celu obniżenia swr po ich zamontowaniu, można temu przeciwdziałać. Nie chcesz, aby emitowana częstotliwość była zbyt wysoka lub zbyt niska, albo nie będzie dobrze reagować w środowisku o wysokim poziomie metalu. Gdzieś w obszarze 150-1000 MHz prawdopodobnie działałoby dobrze.
Aby znaleźć polaryzację tej anteny, możesz podłączyć ją do nadajnika i słuchać transmitowanego sygnału w innym radiu z pewnej odległości. Spróbuj przechylić antenę w odbiorniku radiowym do przodu i do tyłu między ustawieniem pionowym a poziomym. Kiedy sygnał jest najsilniejszy, to jest polaryzacja anteny nadawczej. Siła sygnału może spaść nawet o 90%, gdy polaryzacja dwóch anten jest inna.

— Delta1X
źródło