Руководство по размещению устройств EnOcean (Application Note 001)

Категория: Применение
Опубликовано 18.04.2013 07:45
Автор: Administrator
Просмотров: 4681

По сравнению с проводными системами, беспроводные системы гораздо проще установить, их легко переместить или добавить к системе. Выполнение простых рекомендаций из этого руководства по размещению и планирования обеспечит успешную установку и надежную работу радиосетей EnOcean 868 или 315 MHz в различных зданиях.

Разделы руководства:

Принципы распространения радиосигналов в зданиях.

Руководство по проектированию для коммерческих зданий.

Руководство по проектированию для жилых зданий.

Отладка системы радиосвязи.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее руководство охватывает два основных, чаще всего используемых на практике, типа установки системы радиосвязи:

Радиодатчики управляют приводами непосредственно

 

I. Радиодатчики управляют приводами непосредственно (RF шина).

В этом случае пути радио радиосигнала не должны быть протяженными. При необходимости устанавливается центральный ретранслятор для усиления радиосигнала. Такой способ установки больше всего подходит для небольших жилых домов.

 

 

 

Радиодатчики управляют приводами при помощи системы автоматизации

 II. Радиодатчики управляют приводами при помощи системы автоматизации.

В определенных местах здания устанавливаются радио-шлюзы, подключенные к системе автоматизации здания (например, BACnet, TCP / IP, EIB / KNX, LON). Это универсальный способ, он чаще всего используется при реализации сложных проектов.

 

1. Принципы распространения радиосигналов в зданиях.

1.1 Дальность действия радиосигналов.

Радиосигналы - это электромагнитные волны, следовательно, они ослабевают с увеличением пройденного пути. Дальность действия радиосигналов всегда ограничена. Зону радиопокрытия снижают и различные материалы, находящиеся на пути распространения радиоволн. Радиоволны могут проникать через стены из разных материалов, чем больше их толщина, тем сильнее затухание волны. Ослабление радиоволн, по сравнению с прохождением в условиях прямой видимости (LOS), зависит и от материала стен.

Значение ослабления для некоторых материалов:

Дерево, гипс, стекло без металлического покрытия 0 - 10%
Кирпич, прессованные панели 5 - 35%
Железобетон 10 - 90%
Металл, алюминиевая облицовка см. п. 1.2

 

В условиях ограниченного пространства зона надежной работы имеет вид эллипсоида, с передатчиком (Tx) и приемником (Rx) в узловых точках. Из-за того, что геометрическая форма помещения искажает процесс распространения радиоволн, реальная дальность передачи снижается с теоретических 30 м. (LOS), примерно, до 10 м. на частоте 868 MHz и 17 м. на частоте 315 MHz . Условия распространения радиоволн в помещениях с низкими потолками и толстыми стенами считаются неблагоприятными.

Распространение радиоволн в узких помещениях

Вид монтажа антенны, расстояние антенны от потолка, пола и стен оказывает большое влияние на зону покрытия. Внешние антенны обычно имеют лучшую производительность, чем внутренние антенны, вмонтированных в стену приемников. Люди и другие объекты в комнате также могут ослабить уровень сигнала. На практике, из-за большого количества различных воздействий, расстояния между передатчиком и приемниками следует рассчитывать наиболее тщательно. Для достижения высокой надежности системы радиосвязи, в случае нескольких, даже одновременно проявляющихся, неблагоприятных условий, следует проектировать размещение устройств с достаточным запасом по расстоянию между ними.

Практические рекомендации по установке:

  1. До 30 м в идеальных условиях: широкая комната, никаких препятствий, хорошая конструкция антенн и хорошее их расположение.
  2. Здание наполнено мебелью и людьми, прохождение до 5 сухих стен или до 2 стен из кирпича (ячеистого бетона):

    2.1. до 20 м, если антенны у передатчика и приемника действительно имеют хорошую конструкцию и расположение;

    2.2. до 10 м, если:

    - приемник установлен в массивную стену;

    - приемник установлен рядом с углами комнаты;

    - приемник небольшого размера с внутренней антенной;

    - приемник или его антенна установлены на металлическую поверхность;

    - монтаж выполняется в помещении с низкими потолками;

  3. 1-2 м через металлические усиленные потолки в вертикальном направлении (сильно зависит от плотности армирования и положения антенны).

1.2 Экранирование.

Массивные предметы, сделанные из металла, такие как металлические стены-разделители и металлические вставки потолка, массивные армированные стены и металлическая фольга теплоизоляции, отражают электромагнитные волны и, следовательно, создают радио тени. Однако мелкие металлические детали, например металлические штыри в сухой стене из гипса, не вызывают эффект экранирования.

Передача радиоволн происходит даже через металл внутренних стен-разделителей. Это происходит посредством отражения. Стены, сделанные из металла или бетона, тоже отражают электромагнитные волны. Радиоволны проникают в соседнюю комнату или этаж через неметаллические, например, деревянные или стеклянные двери. Локальное радио покрытие может сильно уменьшится. Монтаж дополнительного ретранслятора в подходящем месте может легко обеспечить дополнительный путь распространения радиоволн.

Важные объекты и факторы, уменьшающие дальность охвата

  1. Металлические разделительные перегородки или легкие полые стены, заполненные шумо/теплоизоляционными материалами на металлической фольге;
  2. Потолки со вставками из металла или карбона;
  3. Стальная мебель, стекло с металлическим покрытием (в помещениях используется редко);
  4. Переключатель, установленный на металлической (металлизированной) поверхности (приблизительно 30% потери зоны покрытия);
  5. Декоративные металлизированные рамки переключателей (приблизительно 30% потери зоны покрытия).

 

Огнестойкие стены, шахты лифтов, лестницы, силовые шкафы следует рассматривать, как экранирующие элементы. Экранирующего эффекта можно избежать путем изменения положения (вывод из тени) приемо-передающих антенн или с помощью ретранслятора

Экранирующего эффекта можно избежать

1.3 Угол проникновения.

Угол, при котором передаваемый сигнал попадает на стену, очень важен. Эффективная толщина стен, как и затухание сигнала, изменяется в зависимости от этого угла. Для снижения потерь сигналы нужно передавать через стены напрямую, ниши в стенах следует избегать.

Угол, при котором передаваемый сигнал попадает на стену, очень важен

 

Избежать неблагоприятного угла проникновения можно путем изменения положения приемо-передающих антенн или при помощи ретранслятора.

 

1.4 Установка антенны.

Размещение антенны

 При использовании приемника с внутренней антенной, его не следует устанавливать на одной и той же стене вместе с передатчиком. Вблизи поверхности стен радиоволны подвержены влиянию отражения и интерференции. Следовательно, антенна должна быть расположена на противоположной, или примыкающей к ней, стене. При использовании устройства с внешней антенной, идеальное место установки антенны в центре помещения. Размещение антенны должна быть не менее 10 - 15 см от угла стены или бетонного потолка.

Избегайте распространения радиоволн вдоль стен (в длинных и узких помещениях).

 

Пассивная антенна

Этот вид антенн связан с приемником через специальный коаксиальный кабель. Идеальное место ее установки в центре помещения. “Магнитная антенна” (например, Hirschmann MCA 1890MH для 868 MHz) должна быть установлена на большой металлической поверхности для создания адекватного анти-полюса, ее очень легко установить на металлические предметы, например, на вентиляционные коммуникации за подвесным потолком.

Монтаж магнитной антенны 

Плоская (планарная) антенна (например, HAMA MiniPlanar 38499 для 868 MHz) должна устанавливаться вдали от металлических предметов, например, на подвесных потолках или в сухой стене из гипса в соединительных коробках подходящего размера (см. рисунок). Планарные антенны нельзя устанавливать непосредственно на бетон, свойства которого похожи на металл. Исключение составляет 868 MHz планарная антенна MCA 1890MP от Hirschmann. Она также может непосредственно клеится на металлический потолок. Более подробную информацию о пассивных антеннах и антенных разъемах можно найти в руководстве по применению EnOcean AN103

Внешние пассивные антенны. Для 315 MHz внешней антенны можно использовать четвертьволновую антенну ANT-315-CW-RH-ND от Digikey с магнитным креплением DN70101 от ThieCom (см. еще www.linxtechnologies.com).

 Монтаж плоской антенны

Нельзя не сгибать (переламывать) коаксиальный кабель антенны во время установки. Это может привести к непоправимому повреждению (увеличению потерь в кабеле за счет изменения уровня волнового сопротивления).

 

Активная антенна.

Так называемая активная антенна это отдельное устройство со встроенной антенной, которое взаимодействует с приемником через кабель RS485 (шлюз RS485). В этом случае коаксиальный антенный кабель, потери в котором растут с его длиной, не используется, и, следовательно, между антенной и приемником сигнал передается без потерь.

1.5 Расстояние между приемником и источников помех.

Расстояние между приемником и источников помех

Расстояние между EnOcean приемниками и передатчиками других беспроводных систем (например, GSM / DECT / WLAN) или источниками высокочастотных помех (компьютеры, аудио / видео оборудование) должно быть не менее 50 см. Передатчики EnOcean могут быть установлены рядом с любым другим высокочастотным передатчиком без каких-либо проблем. Нельзя использовать систему 868 MHz RFID и приемники 868 MHz EnOcean в одном помещении.

Расстояние от EnOcean приемников до различных высокочастотных передатчиков должны быть не менее 50 см, место расположения передатчиков EnOcean выбирается не зависимо от передатчиков других систем и источников высокочастотных помех. Нельзя использовать систему 868 MHz RFID и приемники 868 MHz EnOcean в одном помещении.

 

1.6 Использование ретрансляторов.

В случае плохих условий распространения можно использовать ретранслятор. EnOcean ретрансляторы не требуют настройки (например, программирования), имеют различный дизайн и просто подключаются к соответствующему источнику питания. Различные возможности использования показаны на иллюстрациях в главах "1.2 Экранирование" и "1.3 Угол проникновения".

При разработке нового или модернизации действующего проекта не следует решать задачу расширения зоны охвата только путем добавления большого количества ретрансляторов, поскольку это влечет за собой рост затрат на оборудование, рост вероятности столкновения посылок и перерасход собранной EnOcean модулями энергии.

 

Слабый радиосигнал ретранслятором принимается, обновляется и передается снова, так что теоретически достигается почти двойной диапазон дальности. EnOcean ретрансляторы первого уровня не могут быть каскадными. Посылка, повторенная однажды, не может быть повторена снова. EnOcean ретрансляторы, переключенные в двухуровневый режим, позволяет двум ретрансляторам быть каскадными. Двухуровневый режим следует использовать только в экстремальных случаях.

1.7 Измеритель напряженности поля.

Мобильный измеритель интенсивности поля EPM 300 позволяет установщику определить идеальные монтажные позиции для датчиков и приемников, проверить неисправные соединения уже установленных устройств. EPM 300 показывает значение напряженности поля полученной посылки и любых помех в диапазоне 868 MHz, а EPM 300С в диапазоне 315 MHz. Более подробную информацию можно найти в документе AN005 "Отладка радиосистем" и в инструкции по эксплуатации EPM300.

Измеритель напряженности поля EPM 300

Как использовать измеритель EPM 300.

Установщик 1 нажимает на кнопку датчика и передает радио посылку. Установщик 2 проверяет напряженности поля, полученные на дисплее устройства, и тем самым определяет идеальное положение для приемника.

 

 

 

Даже после тщательного планирования измеритель EPM 300 должен быть использован для проверки правильности приема приемником в месте его предполагаемой установки. EPM 300 можно использовать для определения идеальной позиции монтажа и для идентификации источника радиопомех (см. также AN005"Отладка радиосистем").

2. Руководство по планированию для коммерческих зданий.

При строительстве коммерческих зданий широко применяются стены из огнеупорных материалов, экранирующие радиоволны. В этом случае зона радио покрытия разделяется огнеупорными стенами на отдельные части (секции). Внутри таких секций используются легкие или стеклянные перегородки. Это создает хорошие условия для распространения радиоволн. Необходимо избегать использования в интерьере металлизированных стекол или металлизированных поверхностей перегородок, а также усиленных металлом конструкций.

Ниже приведены два распространенных способа установки.

I. Радиодатчики непосредственно контролируют актуаторы (RF шина).

Обычно используется при небольших зонах охвата.

II. Радио датчики контролируют актуаторы через автоматизированную систему.

В центре помещения размещен радио шлюз, подключенный к системе автоматизации здания (например, BACnet, TCP / IP, LON, EIB).
Весь процесс размещения легко разбивается на шаги:

  1. Нужно взять план этажа здания и циркуль (условно);

    Нужно взять план этажа здания и циркуль

  2. Отметить на плане элементы, экранирующие радиоволны:

    - огнеупорные стены;

    - туалеты, лестницы, лифтовые шахты силовые щиты.

    Отметить на плане элементы, экранирующие радиоволны

  3. Нарисовать циркулем окружности:

    - точки центров окружностей являются идеальными позициями для радио шлюзов;

    - шлюзы должны быть расположены таким образом, что ни один экранирующий элемент не смог заблокировать связь в любом углу внутри секций пожарной безопасности (потенциальных местах размещения датчиков).

Для надежного планирования должна учитываться вся сумма неблагоприятных условий. На практике установлено, что планирование с диапазоном 10-12 м создает достаточный резерв для преодоления наиболее типичных плохих условий. Необходимо учитывать, что ухудшение условий часто появляется от более поздних изменений внутри помещения (наполнение людьми, изменение перегородок, мебели, появление комнатных растений и т.д.).

 

Для повышения надежности системы необходимо создавать резервные пути приема данных. Радиопередатчики, находящиеся в местах перекрытия зон приема, могут приниматься соседними шлюзами. Это происходит путем дополнительного программирования шлюзов.

 

Даже после тщательного планирования, обязательно проведение испытаний. Они выполняются при помощи измерителя EPM 300 в реальных условиях, непосредственно во время установки приемников и передатчиков для проверки правильности радиообмена и выбранных мест установки устройств. Неблагоприятные условия могут быть улучшены путем изменения положения антенн или использования ретранслятора.

3. Руководство по планированию для жилых зданий.

Когда применение ограничивается одной или двумя комнатами (например, при реконструкции) на прямой дальности передачи все работает, как правило, адекватно. Более сложные варианты могут быть дифференцированы:

  1. Установка в квартире из нескольких комнат или доме на одну семью до 400 м²:

    - Большие жилые дома должны быть оборудованы ретранслятором. Ретранслятор должен быть размещен в геометрическом центре дома, например, в центре среднего этажа. Точное положение ретранслятора некритично;

    - EnOcean ретрансляторы разработаны таким образом, что их можно использовать каскадно до второго уровня. Второй ретранслятор может быть добавлен в случае сильного укрепления потолка или других причин (см. «1.2 Экранирование»). Следует обратить внимание, что использование ретрансляторов, как универсального средства решения задачи увеличения зоны покрытия, контрпродуктивно (см. «1.6 Использование ретрансляторов»).

  2. Установка в многоквартирном доме или высотном здании:

    - Использование отдельных систем для каждой квартиры;

    - Объединение отдельных систем в каждой квартире через радио шлюзы в единую систему автоматизации на основе BACnet, EIB / KNX, LON или TCP / IP.

3.1 Небольшая жилая квартира (до трех стен и одного потолка).

 Небольшая жилая квартира

Для одноуровневой квартиры или двухэтажного дома на прямой дальности передачи все работает, как правило, адекватно.

 

3.2 Многокомнатная квартира или семейный дом (более трех стен, более одного потолка).

 Многокомнатная квартира или семейный дом

В этом случае, как правило, рекомендуется устанавливать центральный ретранслятор для обеспечения достаточной зоны радиопокрытия.

 

3.3 «Скромный» дом на одну семью (количество стен и потолков неограниченно).

 большой дом на одну семью

В редких случаях толстые железобетонные потолки или толстые стены подвала потребуют установки ретрансляторов второго уровня для обеспечения полного охвата (ретрансляторы должны быть переключены в 2-уровневый режим, см. «1.6 Использование ретрансляторов»).

 

4. Отладка системы радиосвязи.

Содержимое раздела 4 из «WP Range Planning Jun2009 en» заменено более свежим из «AN005 Radio System Debugging Jan2011». Информация может быть использована для углубленного понимания процессов, для обеспечения надежной работы и локализации возможных неисправностей.

Любая система радиосвязи состоит из передатчика (Tx-DUT = тестируемого передатчика), пути распространения радиоволн (радио пути), и приемник (Rx-DUT = тестируемого приемника). В случае недостаточного покрытия, появляющихся случайным образом и без видимых причин и также исчезающих временных неисправностей, следует всегда помнить, что радио это не волшебство и принципиально могут возникнуть только следующие проблемы:

  1. Существует источник активных помех;
  2. Передающее устройство неисправно (Tx-DUT);
  3. Приемное устройство неисправно (Rx-DUT);
  4. Работа устройства на границе зоны охвата.

Далее рассмотрим каждую проблему по отдельности.

Необходимо для работы:

  1. Тестируемая пара приемник и передатчик (Tx-DUT, Rx-DUT): передатчик активирует приемник. Результат надлежащего приема сигнала должен быть хорошо виден (например, включение-выключение света);
  2. Два специалиста, владеющих базовыми знаниями;
  3. Измеритель EPM 300;
  4. Заведомо исправный радио выключатель (передатчик), одной модели с тестируемым выключателем (передатчиком). Радио выключатель следует, одновременно с EPM 300, предварительно проверить в другом месте;
  5. Два мобильных телефона для связи в помещениях, разделенными стенами.

Тест 1. Источник активных помех.

Включите EPM: Источник активных помех присутствует, если желтый или даже зеленые светодиод EPM 300 мигает или светится постоянно. Короткие импульсы (

  1. Если помеха происходит только рядом с приемной антенной: Удалить источник маломощных помех (например, пусковое устройство, компьютер, контроллер) на расстояние не менее 50 см от антенны приемника EnOcean;
  2. Если источник активных помех обнаруживается по всему помещению: Удалить источник помех. Если удаление невозможно, то следует принять меры по сильному сокращению диапазона, например, использовать повторители.

Тест 2. Передающее устройство.

  1. Специалист 1 остается на месте блока передатчика и работает заведомо исправным переключателем последовательно и переменно с, вероятно, дефектным блоком передатчика Tx-DUT. Если Tx-DUT представляет собой датчик, то для тестовой передачи можно использовать кнопку LRN;
  2. Специалист 2 удаляется с измерителем уровня EPM 300 до того места в помещении, когда последовательное срабатывание зеленого сигнала (HI) индикатора сменится желтым (LOW). Если разница результатов тестируемого передатчика и заведомо исправного хуже более чем на один метр, то тестируемый передатчик следует заменить.

Тест 3. Приемное устройство.

  1. Специалист 1 остается на месте приема с измерителем EPM 300 рядом с тестируемым приемным блоком. Положение EPM 300 по высоте (по направлению к потолку) может быть выше или ниже от положения тестируемого приемника не более чем на один метр;
  2. Специалист 2, при помощи тестового передатчика, непрерывно передает радиосигналы и постепенно отходит от тестируемого приемника до того места в помещении, пока Специалист 1 не зафиксирует на EPM 300 изменение последовательного срабатывания зеленого индикатора (HI) на желтый сигнал (LOW).

Если разница результатов тестируемого приемника и EPM 300 хуже более чем на один метр, то необходимо выполнить следующее:

  1. Проверить монтажное положение приемника и приемной антенны;
  2. Проверить работоспособность и правильность подключения каждого компонента (приемника, антенны, кабелей, разъёмов, внешнего источника питания (если он используется);
  3. Проверить работоспособность программного обеспечения.

Тест 4. Радио путь.

Если при последовательном выполнении предыдущих тестов ничего не обнаружено, то причина должна быть на пути распространения радиоволн. Следует, прочить еще раз главы с 1 по 3 этой статьи подробно, а также рассмотреть следующие возможные основные причины:

  1. На практики нужно иметь надежный диапазон радио покрытия не менее 10 м, даже при наихудших условиях установки. В противном случае, следует вернуться к начальному планированию размещений;
  2. Экранирование: Массивные объекты из металла, такие как металлические разделительные стены и металлические вставки потолков, массивные усиленные стены и металлическая фольга теплоизоляция, отражают электромагнитные волны, и создают радио тень. Однако мелкие элементы такие, как металлические заклепки, металлические элементы крепления в сухой гипсовой стене, не создают экранирующий эффект;
  3. Металлические разделительные стены: Следует учитывать, что в помещениях с внутренними металлическими разделительными стенами на самом деле радиоволны распространяются хорошо. Это происходит благодаря эффекту отражения: Стены, сделанные из металла или бетона, хорошо отражают электромагнитные волны. Радиоволны проникают в соседние помещения или на следующие этажи через неметаллические проемы, например, с деревянными дверями или с внутренними застекленными окнами. Необходимо помнить, что локально, в каком то одном определенном месте помещения или в нескольких таких местах эффект мертвых зон может создать значительные трудности для распространения радиоволн;
  4. Монтаж дополнительного ретранслятора в подходящем месте может легко обеспечить дополнительный путь распространения радиоволн.

Dipl. Ing. Armin Anders, EnOcean GmbH, VP Product Management, сайт www.enocean.com