Comment concevoir ultra faible puissance ZigBee RF4CE réseaux sans fil

Technologie sans fil évolue de la communication entre les personnes et à des ordinateurs à la communication entre machines. Il ya une troisième vague de sans fil qui est la suite de l'intégration quasi-omniprésence des téléphones cellulaires et l'Internet sans fil (Wi-Fi) dans nos vies.

Cette vague sans fil de troisième se compose de sens sans fil et les réseaux de contrôle qui permet de connecter et contrôler toutes sortes d'équipements dans nos foyers et entreprises - des congélateurs aux interrupteurs d'éclairage, de l'électronique grand public (TV, lecteur DVD) et les télécommandes à des capteurs pour la détection ou à la protection et à la fermeture centralisée des portes et verrouillage de fenêtre dans nos maisons (comme nous sommes habitués dans nos voitures).

Malheureusement, l'utilisation des technologies sans fil d'aujourd'hui, la plupart de ces capteurs sans fil et commandes nécessitent l'utilisation d'une quantité importante de batteries qui posent des problèmes environnementaux (pensez à des produits chimiques toxiques et des métaux lourds) ainsi que d'un problème d'entretien grave (en continu remplacement des piles). Par conséquent ultra faible puissance des réseaux sans fil qui nécessitent très peu d'énergie sont d'un grand intérêt.

Cela comprend les systèmes qui peuvent fonctionner hors d'une pile unique pour la durée de vie d'un dispositif ainsi que les réseaux sans fil et de capteurs qui peuvent être alimentés par récupération d'énergie (parfois appelé la récupération d'énergie). Création de réseaux sans fil ultra basse puissance et les systèmes qui peuvent fonctionner avec l'énergie qui est disponible dans l'environnement au lieu de batteries est une technologie émergente très excitant.

L'an dernier, l'organisation ZigBee en partenariat avec plusieurs des plus grands de l'électronique de grande consommation dans le monde (Panasonic, Philips, Sony et Samsung) pour former ce qui est connu sous le nom de ZigBee RF4CE (Radio Frequency l'électronique grand public). Ce partenariat entre l'industrie signale le développement de toute une nouvelle génération de dispositifs de commande à distance - pour les téléviseurs, pour la maison et de la bureautique, pour de nombreux autres types de produits de contrôle à distance qui communiquent via RF de faible puissance à la place des vieux de plusieurs décennies IR (infrarouge). En utilisant ces nouvelles technologies de communication, nous avons vite sera de voir un large éventail de périphériques distants qui ne sont pas seulement interopérables entre les marques et modèles, mais il faut si peu de pouvoir que les piles n'auront jamais être changée ou rechargée. Il est même possible de concevoir et de construire des télécommandes qui ne nécessitent pas de piles à tous et tirent leur pouvoir de récupération d'énergie.

Défis des réseaux de capteurs sans fil

Le plus grand défi technique pour le développement de ces réseaux de capteurs ultra basse puissance est de gérer la consommation d'énergie sans réduire plage ou de la fonctionnalité, comme la vitesse et la conformité aux normes. L'élimination résultant du remplacement des piles sera alors de simplifier la maintenance et de fournir un niveau supérieur de confort d'utilisation et sécurité.

Ultra faible consommation d'énergie

Il est évident que la consommation de courant - milli-ampères - et le cycle de service sont important dans les réseaux de capteurs sans fil. Toutefois, en minimisant la consommation de courant n'est qu'une partie de la solution. Il ya plusieurs questions clés essentielles pour développer des applications de faible puissance sans fil de capteurs, mais tout commence par l'élaboration d'un ultra faible puissance des puces de radio émetteur-récepteur.

En utilisant un contrôleur de communication conception centrée sur puce au lieu d'une conception centrée microcontrôleur, avec synchronisés wake-up, il est possible de réduire la consommation d'énergie globale de 65% ou plus.

La plupart des solutions d'émetteurs-récepteurs nécessitent que le microcontrôleur est activé tout le temps au cours de la transmission d'un paquet. En utilisant la technologie de contrôleur GreenPeak communication GP500, le MCU est nécessaire uniquement pour traiter les données à être transmis ou reçus.

La plupart des réseaux radio à faible puissance s'appuyer sur une approche centrée sur processeur qui nécessite un microcontrôleur pour gérer toute l'intelligence de l'émetteur-récepteur. Cela nécessite le microcontrôleur à rester éveillé tout le temps qui à son tour nécessite une alimentation supplémentaire. En utilisant une approche plus efficace de l'énergie contrôleur de communication, l'émetteur-récepteur peut transmettre et recevoir des données indépendamment du microprocesseur et le microprocesseur est utilisé seulement réveillé et quand il est nécessaire de continuer à traiter les données.

En utilisant un ordonnanceur basé sur le matériel et le synchroniseur au sein de la puce elle-même, la radio ne se réveille que si nécessaire pour voir s'il ya des données qui doivent être envoyées. Sinon, elle retourne dormir. S'il ya des données à envoyer, le contrôleur se réveille le microcontrôleur. La puce communique ensuite les informations, puis se rendort jusqu'à la prochaine fois, il est prévu de se réveiller. 9999 fois sur 10.000 - il n'ya pas de message à envoyer et le contrôleur n'a pas besoin d'alimenter le microprocesseur. Chaque fois que les données sont envoyées, les puces transmettent également un message de synchronisation afin de s'assurer qu'ils se réveillent tous ensemble sur le cycle suivant.

En laissant le contrôleur de communication décider quand se réveiller et vérifier les messages, il est possible de réduire considérablement la consommation d'énergie globale. En raison de l'ordonnanceur et de synchronisation à l'intérieur du contrôleur de communication, le système ne se réveille que pour un bref moment de vérifier pour voir s'il ya des messages et se rendort. En laissant le sommeil microprocesseur jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire, il est possible d'économiser plus de 65% de la consommation d'énergie par rapport à une caractéristique de l'émetteur-récepteur traditionnel toujours

Si vous multipliez ce pouvoir nœud individuel sauver par un réseau sans fil de plus de 100 nœuds, il est évident que l'ensemble du réseau sera en mesure de fonctionner en utilisant la puissance largement inférieure à un réseau à base de microprocesseur classique.

Pointe économies actuelles

Il existe trois types de nœuds de capteurs sans fil états pour une plate-forme de capteurs sans fil couramment utilisé. Chacun a son propre niveau de consommation de courant. Dans l'état un, le microprocesseur et émetteur-récepteur est en mode sommeil (10A). Dans l'état deux, le microprocesseur est allumé alors que l'émetteur-récepteur est en veille (10 mA). Dans l'état trois, à la fois l'émetteur-récepteur et le microprocesseur est éveillé (27 mA).

Lorsque examinant de près le comportement de consommation de puissance des circuits électroniques, il devient évident que ce qui est au début d'une courbe plane actuelle n'a fait plus de ressemblance avec une chaîne de montagnes avec des pics et des vallées. Lorsque certains blocs fonctionnels deviennent actifs, ils puisent le courant de crête. Lorsque deux blocs fonctionnels en marche en même temps, l'amplitude de crête double.

Le secret de la réduction de la puissance de crête se situe dans la gestion prudente de l'allumage et l'extinction, le temps pour les fonctions clés de sorte que les pics doubles peuvent être évités.

Wake Up synchronisée et de couchage permet de réduire la consommation d'énergie à faible puissance des réseaux maillés

L'une des différences les plus marquées entre le capteur technologies de communication sans fil et d'autres bien connus des technologies sans fil, c'est la capacité de nœuds de capteurs pour transmettre des messages à partir d'autres noeuds situés en aval de la chaîne de communication. Cette technique, connue sous le nom de routage maillé ou multi-hop en réseau, constitue un moyen efficace et fiable de grandes infrastructures couvrant, au-delà de la gamme de ce qu'est un lien sans fil unique peut faire.

Pour un nœud de transmettre un message reçu d'un autre nœud, il doit être en mode veille et de réception lorsque le message original sans fil arrive. Malheureusement, le mode de réception nécessite autant de puissance qu'il peut s'écouler des piles dans une affaire de quelques jours. Comme cette durée de vie alimentation est trop court pour la plupart des applications réelles, la solution la plus simple, comme spécifié par les normes de l'industrie plupart, est de limiter la capacité multi-hop aux nœuds qui sont connectés en permanence à l'alimentation principale. Dans un tel cadre, de faible puissance, des dispositifs qui sont supposés être en mode de mise hors tension plupart du temps, ne sont pas capables de retransmettre des messages provenant d'autres appareils. Ces appareils de faible puissance, appelés appareils finaux, sont situés à la fin ou au début de la chaîne de communication.

Ce cadre, qui combine des dispositifs alimentés par maillage du réseau d'acheminement et de faible puissance finaux appareils, fonctionne pour certaines applications. Prenez, par exemple, une application d'éclairage de bureau interconnectés utilisant des lampes sans fil et les interrupteurs. Les lampes, qui sont reliés à la source d'alimentation principale, des maisons les noeuds du maillage de communication d'itinéraire. Les commutateurs, qui ne sont pas alimenté par secteur, sont un lieu naturel pour les dispositifs finaux.

De nombreuses autres applications ne cadrent pas bien dans un tel cadre. Dans les applications telles que la détection de gaz, détection incendie, contrôle d'accès, l'agriculture de précision, la surveillance champ de bataille, la surveillance du périmètre, surveillance de la température entrepôt, etc, l'alimentation secteur n'est pas facilement disponible ou même présent. Exécution d'un câble d'alimentation dans ces applications serait d'un coût prohibitif, ce qui compense l'avantage de la communication sans fil.

Pour faire face à cette classe d'applications nécessite de faible puissance multi-hop en réseau, ou de faible puissance de routage, dans lequel tous les nœuds, y compris les noeuds du maillage de routage, fonctionnent dans un mode économie d'énergie.

En utilisant un "synchronisé réveil" régime, il est possible de coordonner l'activité de réception d'une manière qui élimine la nécessité pour le maillage nœuds de routage fonctionnent continuellement en mode réception, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie. Le tableau ci-dessous montre comment de faible puissance de routage fonctionne lorsque le nœud A veut envoyer un message au nœud C, par Node B. Tous les nœuds les images sont de faible puissance nœuds, dormant la plupart du temps.

En synchronisant le sommeil / réveil cycles des nœuds les uns aux autres, les nœuds se réveiller quand ils s'attendent à un message d'un nœud voisin. Cela permet aux nœuds de routage pour fonctionner dans un état de sommeil presque impuissants la plupart du temps, réalisant ainsi ultra-basse consommation. De toute évidence, plus de wake-up se produira que strictement nécessaires à l'exécution des données, comme des nœuds voisins vont pas toujours de données à transmettre. Cependant, la puissance supplémentaire nécessaire pour des réveils périodiques et la synchronisation est plus que compensée par l'énergie économisée en éliminant la nécessité d'un fonctionnement en mode continu recevoir.

Depuis sa création, la technologie des capteurs sans fil a été lié avec électronique de faible puissance. La plupart de faible puissance des réseaux de capteurs sans fil ont été conçus pour une faible consommation, ce qui signifie qu'ils consomment peu d'énergie lorsqu'il est allumé. Cela ne suffit pas. En utilisant des puces de communication centrées émetteurs-récepteurs, les réseaux maillés sans fil, et un sèche synchronisée et dormir cycles, les développeurs peuvent désormais créer des systèmes qui n'ont même pas besoin de piles et à la place, peut utiliser l'énergie de récolte pour alimenter le réseau de capteurs à partir de sources d'énergie sur l'environnement.

Le capteur standard réseau sans-fil - IEEE 802.15.4

Pour émetteurs-récepteurs de capteurs sans fil dominant et probablement la seule véritable norme IEEE 802.15.4 est le cahier des charges. Cependant, il ya eu des efforts pour utiliser Bluetooth et Wi-Fi pour des applications de faible puissance capteur. Dans la plupart des cas rapportés, Bluetooth et connexion Wi-Fi ont été utilisés d'une manière non standard, en fait tisser les principes de la norme IEEE 802.15.4 dans leur implémentation native. Il est aujourd'hui largement admis que l'IEEE 802.15.4 offre la meilleure base pour des applications de réseaux de capteurs sans fil.

En plus de la norme IEEE 802.15.4, un certain nombre de fournisseurs de technologie ont choisi de construire des émetteurs-récepteurs de propriété. La motivation principale semble être une réduction de la complexité et donc un point faible potentiel de coût. Cependant, il reste à voir si une solution propriétaire ne sera jamais atteindre des volumes suffisants pour réellement atteindre ce point faible coût théorique. En outre, en réduisant la complexité va automatiquement de pair avec la sacrifier les performances et donc de limiter l'applicabilité.

Technologies propriétaires sont vulnérables, pour deux raisons: (1) le propriétaire de la technologie de contrôle de la spécification et donc aussi le prix, et (2) le client dépend de la propriétaire de la technologie pour les mises à jour et sans interruption d'approvisionnement.

Même dans les limites des normes, des fournisseurs de technologies peuvent découvrir et opportunités de différenciation de levier.

Comme GreenPeak exemple, a développé émetteur-récepteur et la technologie pile réseau qui est conforme à la norme IEEE 802.15.4/2.4 GHz mais inclut des fonctionnalités supplémentaires qui permettent son utilisation pour des applications ultra faible puissance. La demande d'énergie ultra-faible est défini comme une application qui est capable de vivre une pile bouton ou de l'énergie récoltée hors de l'environnement par le biais d'une cellule solaire, une vibration collecteur d'énergie ou tout autre environnement convertisseur d'énergie....