Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Transmisja danych w inteligentnym domu cz.1 - Przegląd interfejsów, podstawowe problemy

Wielu elektroników chciałoby samodzielnie zbudować elementy lub cały system inteligentnego domu. Jednym z kluczowych problemów okazuje się dobranie odpowiednich sposobów transmisji danych. Decyzje w tym zakresie decydują o finalnym sukcesie lub porażce. W cyklu artykułów omawiamy rozmaite aspekty tego bardzo ważnego zagadnienia.
Article Image

Tematyka inteligentnego domu cieszy się dużym zainteresowaniem elektroników. W bardziej czy mniej inteligentnym domu mamy najróżniejsze czujniki i urządzenia wykonawcze i sygnalizacyjne, wyposażone w obwody elektroniczne. Do tego jest jakaś centralka (jedna lub więcej). Urządzenia te są oddalone od siebie. Niektóre na odległość kilkudziesięciu centymetrów, inne – kilku do kilkunastu metrów.

A jeżeli niektóre instalowane są na zewnątrz domu (czujniki światła, wilgoci gleby, urządzenia sygnalizacyjne i alarmowe w altance, komórce, garażu), odległości mogą przekroczyć nawet 100 metrów. Oczywiście wszystkie muszą być jakoś zasilane, ale teraz bardziej interesuje nas fakt, że trzeba też przesyłać informacje między nimi.

Zasadniczo wiele informacji może być przesyłanych w postaci analogowej, na przykład z czujnika temperatury do centralki czy z centralki do ściemniacza oświetlenia. Jednak z różnych względów zamiast analogowej, zdecydowanie częściej wykorzystujemy różne rodzaje transmisji cyfrowej. Trzeba przesłać cyfrową informację (w postaci zer i jedynek) z punku A do punktu B przez jakieś medium transmisyjne. Niestety, nie ma jednego jedynego, najlepszego i uniwersalnego sposobu transmisji danych, który nadawałby się do wszystkich zastosowań.

Ważne aspekty zagadnienia transmisji danych cyfrowych:

  1. rodzaje i ilość informacji,
  2. różna wymagana maksymalna odległość i szybkość,
  3. różne koncepcje zarządzania przepływem (master-slave i inne),
  4. odmienne wymagania co do niezawodności transmisji,
  5. potrzeba przesyłania między wieloma punktami, związana z adresowaniem i wyznaczaniem trasy przekazu,
  6. dostępne sposoby transmisji (różne media transmisyjne).

Teoretycznie można zrealizować różne samodzielnie opracowane i zrealizowane sposoby transmisji, które dokładnie odpowiadałyby konkretnym potrzebom. Jednak pomysł „samoróbek” ma też bardzo złe strony. Przyjmij bez uzasadnienia, że o ile to tylko możliwe, do przesyłania danych należy wykorzystywać standardowe, popularne łącza – interfejsy.

Tabela 1 zawiera zestawienie bardziej popularnych łączy – standardów transmisji. Niektóre mają wąsko określone specyficzne zastosowanie, inne są bardziej uniwersalne. Nas interesują przede wszystkim te, które służą do komunikacji między dedykowanymi układami scalonymi (SPI, I2C, 1Wire) oraz między urządzeniami: przewodowe RS-232, RS-485, USB, CAN-BUS, bezprzewodowe Wi-Fi i Bluetooth oraz oczywiście Ethernet, co pozwala budować sieci komputerowe i łączyć się z Internetem. Wszystkie mają i zalety, i wady.

Tabela 1 Zestawienie bardziej popularnych łączy – standardów transmisji

Co ważne, w jednym systemie inteligentnego domu może być i często jest wykorzystanych kilka łączy różnych standardów. Niekiedy wybór wynika z sympatii i antypatii konstruktora, ale często jest koniecznością z uwagi na określone wymagania lub ograniczenia.

Dlatego współczesny elektronik musi znać dostępne łącza. Tematyka jest bardzo obszerna, jednak spróbujemy choć w zarysie kolejno omówić specyfikę, możliwości i ograniczenia poszczególnych interfejsów. Ale wcześniej musimy poznać bardzo ważny problem zasięgu i zakłóceń.

Transmisja radiowa - czy jest dobrym rozwiązaniem?

Niedoświadczeni hobbyści zwykle uznają bezprzewodowe łącza radiowe za najlepsze i najnowocześniejsze rozwiązanie. Dla Wi-Fi podaje się maksymalny zasięg 100m, co teoretycznie przy „standardowych” antenach jest możliwe na otwartym powietrzu, bez jakichkolwiek przeszkód (przy zastosowaniu odpowiednich kierunkowych anten zasięg Wi-Fi może być nawet dużo większy). Niestety, w praktyce zasięg Wi-Fi zazwyczaj okazuje się dużo mniejszy, rzędu tylko kilku metrów, głównie z uwagi na dodatkowe tłumienie oraz zniekształcające odbicia fal.

Dodatkowo dochodzi możliwość zakłócania. Wprawdzie Wi-Fi i Bluetooth wykorzystują różne zaawansowane rozwiązania, które zmniejszają podatność na zakłócanie, jednak praktyka pokazuje, że wszystko bywa dobrze, gdy w systemie jest niewiele urządzeń, a rozbudowa systemu radiowego prawie zawsze przysparza zupełnie nieoczekiwanych problemów różnej, trudnej do zdiagnozowania natury.

Ponadto praktyczna przydatność w znacznym stopniu zależy od tego, jakie są warunki propagacji w miejscu instalacji i jakie tam występują zakłócenia i „obce nadajniki”. System transmisji bezprzewodowej znakomicie funkcjonujący na cichej wsi, może zupełnie nie zdać egzaminu w bloku w dużym mieście.

To jest poważna, zbyt słabo brana pod uwagę kwestia, a nawet pułapka, w którą często wpadają niedoświadczeni.

Podkreślmy: radiowa transmisja bezprzewodowa niekiedy może być idealnym, wygodnym i tanim rozwiązaniem, ale niestety często z upływem czasu zaczyna sprawić poważne, a nawet nieprzezwyciężalne kłopoty. Na pozór prosta obecnie do zrealizowania, transmisja radiowa, okazuje się najmniej pewna. O ile to tylko możliwe, zamiast transmisji radiowej warto wykorzystywać transmisję przewodową, (która niestety też idealna nie jest).

Zasięg i zakłócenia w transmisji przewodowej

Nie każdy system transmisji przewodowej nadaje się do przesyłania danych na większe odległości. Przykładowo łącza I2C, 1-Wire czy SPI były planowane do transmisji danych w jednym urządzeniu między układami scalonymi na odległości rzędu kilkudziesięciu centymetrów, a łącze USB – do kilku metrów. Popularne łącze RS-232 projektowane było dla odległości do 15...20 metrów, a jedynie pokrewne RS-485 pozwala na transmisję na odległość powyżej kilometra.

Zestawiona z różnych źródeł tabela 1 też nie podaje całej prawdy o zasięgu poszczególnych łączy. Generalnie, czym dłuższe łącze, tym większe są ograniczenia szybkości transmisji. Dla tego samego łącza maksymalna szybkość transmisji zależy od jego długości. Trzeba też wiedzieć, że „krótkozasięgowe” łącze I2C można za pomocą specjalnych dodatków „wydłużyć” nawet do kilkunastu metrów, co jest bardzo istotne w kontekście inteligentnego domu. Podobnie „20-metrowe” łącze RS-232 w pewnych warunkach może mieć długość ponad 100 metrów.

Podstawowa zależność jest jasna: trudno jest przekazywać informacje szybko na duże odległości. W przypadku transmisji przewodowej jednym z głównych ograniczeń jest pojemność przewodów, która powoduje tłumienie i zniekształcenie sygnału.

Rys.1 Nadajnik, linia przesyłowa i odbiornik traktowane jako obwód RC będący filtrem dolnoprzepustowym

W wielu przypadkach rozważania można uprościć, traktując nadajnik, linię przesyłową i odbiornik jako obwód RC będący filtrem dolnoprzepustowym. Ilustruje to rysunek 1. Często nadajnik charakteryzujemy nie za pomocą jego rezystancji wyjściowej R, tylko jego wydajności prądowej, która może być różna dla obu stanów logicznych.

Tak czy inaczej podstawowym ograniczeniem jest pojemność, głównie pojemność przewodu, która może wynosić od 50pF/m do ponad 100pF na każdy metr przewodu. Większą pojemność mają kable ekranowane. Najmniejszą pojemność mają dwa oddalone od siebie pojedyncze przewody, ale takie rozwiązanie ma poważną wadę, bo najmniejsza jest wtedy odporność na zakłócenia.

W sytuacji z rysunku 1, dotyczącej łączy RS-232 oraz SPI, wydajność prądowa nadajnika jest stosunkowo wysoka, rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu miliamperów. Znacznie gorsza jest sytuacja w bardzo sprytnie zaprojektowanych łączach I2C oraz 1-Wire. Tam w jednej linii dane są przesyłane w dwóch kierunkach, co możliwe jest dzięki zastosowaniu rezystorów podciągających i wyjść ze wspólnym kolektorem/drenem.

Jak pokazuje rysunek 2, napięcie w linii może tam szybko opadać, bo wydajność prądowa tranzystora może być duża, co szybko rozładuje pojemności linii C. Problem w tym, że szybkość narastania napięcia w linii jest mała, bo jest wyznaczona przez obwód RC, w tym stosunkowo dużą rezystancję podciągającą R, rzędu jednego do kilku kiloomów.

Rys.2 Napięcie w linii może szybko opadać

Przedstawiony problem pojemności dotyczy niższych szybkości przesyłania danych, do powiedzmy w pierwszym przybliżeniu miliona bitów na sekundę (1Mbps), co można nieściśle powiązać z częstotliwościami do 1MHz i czasami powyżej 1 mikrosekundy. Przy wyższych prędkościach transmisji (oraz w dłuższych liniach) pojawia się problem zjawisk falowych.

Mianowicie gdy czas przejścia sygnału (impulsu) przez linię jest porównywalny do okresu przesyłanego sygnału/impulsu, wtedy zachodzi zjawisko zupełnie niezrozumiałe dla początkujących, a mianowicie sygnał może po prostu odbić się od końca linii i wrócić do źródła. Możemy szacunkowo przyjąć, że dla linii 100-metrowej nastąpi to po 1 mikrosekundzie. Sygnał (impuls) może się też ponownie odbić od źródła i wielokrotnie wędrować w linii w obie strony. Mówiąc najprościej, sygnały odbite „zamazują” właściwe sygnały.

Takie odbicia można zlikwidować, co związane jest z (też niezrozumiałym dla początkujących) faktem, iż każda linia przesyłowa ma tak zwaną oporność falową. Przy szybkiej transmisji, czyli przy większych częstotliwościach i długościach linii nie mówi się już o zniekształcającej pojemności linii. Owszem, ta pojemność tam jest, ale przy wyższych częstotliwościach także daje o sobie znać obecna tam, niewielka indukcyjność przewodów linii.

Rys.3 Linia transmisyjna przewodowa w zakresie wysokich częstotliwości

I właśnie pojemność i indukcyjność, rozłożone na długości linii (rysunek 3) tworzą specyficzną sytuację, którą można i trzeba scharakteryzować właśnie przez oporność – rezystancję falową, która jednak nie ma nic wspólnego z rezystancją przewodu mierzoną omomierzem. Rezystancja falowa wynika ze stosunku rozłożonej indukcyjności L i pojemności C, a jej wartość zależy od geometrii (rozmiarów, proporcji) oraz od właściwości materiałów (przewodzących i izolacyjnych).

Rezystancja falowa różnych przewodów i kabli wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset omów. Aby wyeliminować odbicia, na obu końcach linii należy dołączyć najzwyklejsze rezystory, których wartość jest równa rezystancji falowej użytej linii/przewodu.

Jeżeli z obu stron linia jest zakończona/obciążona rezystancjami (tzw. terminującymi) równymi jej rezystancji falowej, wtedy odbicia zostaną wyeliminowane. W najprostszy sposób ilustruje to rysunek 4, który jednak nie pokazuje transmisji sygnału.

Rys.4 Linia transmisyjna przewodowa zakończona rezystorami dopasowującymi

Likwidacja (w praktyce tylko znaczne stłumienie) odbić to tylko połowa sukcesu. Już samo dołączenie rezystancji kończących (terminujących) linię powoduje stłumienie sygnału, a do tego dochodzi tłumienie samej linii, zależne od jej długości. Sygnały są w linii tłumione, nie ulegają wprawdzie znaczącej deformacji, ale zmniejsza się ich amplituda, więc impulsy odebrane na końcu linii mogą być wielokrotnie mniejsze niż na jej początku.

Poszczególne standardy szybkiej transmisji (w tym USB, Ethernet, EEE-1394b) w różnym stopniu radzą sobie z tymi problemami, dlatego różne są maksymalne odległości i maksymalna szybkość transmisji. W każdym przypadku możliwe jest zwiększenie zasięgu przez zastosowanie wzmacniaczy-regeneratorów, co jednak może okazać się kłopotliwe i kosztowne. Ale w praktyce poważniejszym problemem często okazują się zakłócenia, nieuniknione zakłócenia, którymi zajmiemy się w drugiej części artykułu.

Tematyka materiału: Wi-Fi, łącze I2C, łącze 1-Wire, łącze SPI, RS232, impedancja falowa
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich lipiec 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
lipiec 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo