あらゆるものが接続可能であることがわかった今、製品をモノのインターネットに対応させることは、一般的に設計上の要件となっています。コードを切断することは野心的な取り組みになる可能性がありますが、多くのメーカーが、RF経験の少ないエンジニアのワイヤレス学習曲線をスムーズにするために、高度に統合された RFモジュール を作成しています。それでも、モジュールの仕様に合わせてシステムを入念に設計したとしても、製品がパケットをドロップしたり、ネットワークから切断されたりすることがあります。何が問題なのですか?
無線信号範囲を改善する方法
プロトコルは技術の範囲で宣伝されているので、技術の範囲で考えたくなります。LoRa (長距離) は、 Semtech や Microchip などの大手企業によって普及が進められており、範囲は20 km以上とされています。 Wi-Fiモジュール は最大500フィートの範囲を主張しますが、ではなぜ100フィート離れた部屋にあるWi-Fi ルーター から良好な信号を得るのに苦労するのでしょうか?
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これらの範囲の値に付いているアスタリスクは、見通し線、つまりLOSとして測定されていることを意味します。つまり、距離は、文字通り、空気を通してのみエミッターを見ることができるデバイスによって測定されました。実際のアプリケーションのほとんどすべてに障害物が存在します。電波は直線的にしか移動しないため、信号は障害物を迂回することはなく、通り抜けることしかできません。物質内を移動しにくいため、信号の電力が低下したり、減衰したりします。信号強度と減衰はどちらもデシベルミリワットで測定され、通常はdBmと表記されます。dBmは、放射される電力と1mWの比率で、log dB項を使用して、放射の妥当なスペクトル全体を単一のスケールで表します。たとえば、標準的な1kWの電子レンジは60dBmと表され、一般的な1nWのWi-Fi信号は -60dBmと表されます。これら2つの値は実際の電力では大きく異なりますが、dBmを使用すると同じスケールで考えることができます。パナソニックの ENW-8937A3FK などのBluetooth IIモジュールは、最大4dBmで信号を発信しますが、-88dBmまで減衰された信号を受信できます。
実際には、モジュールの予想範囲は環境に大きく依存します。 Cooking Hacksの LoRaシールドはLOS範囲が21 kmであると主張していますが、都市環境ではその数値は2 kmまで低下します。
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この10倍の射程距離の損失は珍しいことではありません。残念ながら、邪魔になるものはすべて邪魔になるからです。建物には鉄筋で満たされたコンクリートの壁があります。 ワイヤー、 配管やその他の材料。職場や家庭には、人間や動物がいて、そのほとんどは水です。これも効果的な減衰器です。これは痛みを伴う譲歩かもしれませんが、多くのIoT設計では、モジュールの宣伝範囲の10％のみを予算に組み込む必要があります。丸太を扱うのには理由があります…。
アンテナ信号強度
環境は無線パフォーマンスの低下の大きな要因ですが、障害物は実際に存在する信号を弱めるだけです。 無線IC 通常は特定の アンテナ 可能な限り最高の放送電力ソフトウェア設定で。同じアンテナを使用しない場合や、節約のために放射電力を下げる必要がある場合は、 バッテリー 人生を変えると、結果は違ってきます。
アンテナの種類
ホイップアンテナ
アンテナには主に3つのタイプがあります。ほとんどのルーターや車から突き出ている大きな棒は、ホイップ アンテナと呼ばれます。これらは通常、捕捉しようとしている周波数の波長に応じたサイズになっており、軸に垂直なすべての方向に電力を感知して放射します。これは、エミッターやレシーバーをどこに向けるか正確に知る方法がないため、運転中やWi-Fiの発信中にFM波を捕捉するのに最適です。車が移動すると無線塔の位置が変わり、Wi-Fi信号を期待するデバイスはルーターのどの方向にあるかわかりません。これは、特にアンテナが過酷な環境に耐える必要があり、ソリューション全体のサイズが大きい場合は、最も高価なオプションになる傾向があります。
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トレースアンテナ
最も経済的なアンテナ オプションは、PCB上に銅パターンを作成することです。これは、比較的高い周波数 (2.4 GHz以上) で動作する製品では実行可能なオプションです。これは、小型のPCBでもスパイラル パターンを使用して1/4波長アンテナの長さを実現できる可能性が高いためです。トレース アンテナはホイップほど広い放射パターンを持っていないため、システム内の送信機と受信機の相対的な位置についてより多くの情報を利用できる状況に最適です。このソリューションにはいくつかの欠点がありますが、最も顕著なのは調整機能がないことです。ボードが印刷されると、アンテナは永続的になり、コストのかかるボード スピンなしでは変更できません。チームに経験豊富なRFエンジニアがいない限り、最初の試みは完璧ではない可能性があり、いくつかの調整からメリットを得ることができます。このソリューションでは、トレース アンテナの両側に他のコンポーネントを近づけることができず、非常に大きなボードが必要になるため、小さなボードでチップ アンテナを使用するのと同じくらいコストがかかるため、結局はコストを節約できない可能性もあります。
チップアンテナ
チップアンテナは、他のほとんどのコンポーネントと同様にPCB上にはんだ付けできる小型デバイスで、トレースアンテナを設計するよりもはるかに少ない作業で済みます。これらのアンテナは、近接するコンポーネントに対する耐性がはるかに高く、通常はどの方向にも取り付けることができます。必要に応じてPCBに垂直な面で受信/放射できるため、トレースアンテナよりも適応性が高くなります。ホイップアンテナと同じゲイン機能はありませんが、 インダクタ や コンデンサ などのいくつかの外付けディスクリートコンポーネントをマッチングと呼ばれる方法で使用することで、パフォーマンスを向上させることができます。何よりも、最終製品をテストした後でピークを少し変更する必要があると判断した場合、ボード全体を変更するよりも部品を変更する方がはるかに簡単で安価です。
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電磁干渉
Wi-Fiは比較的古い無線通信方法で、最も洗練されていない方法の1つであると言っても過言ではありません。 環境をまったく考慮せず、できるだけ大きな音であらゆる方向に情報をブロードキャストします。 Wi-Fiアプリケーションは高帯域幅を必要とする傾向があるため、情報量が多くなる傾向があります。 隣人全員が独自の2.4GHzルーターを使用しているアパートに住んでいる場合、ルーターから数十フィート離れた場所でも信号の問題が発生する可能性があります。 より新しい2.4GHzプロトコル、たとえば ANT は、既存の信号ノイズを注意深く監視し、比較的静かなチャネルでデータをこっそり送信する時間を待ちますが、あまりにも多くのことが起こっている場合は、それらでさえ苦労することがあります。 私たちは、そのエリアで閲覧されたすべてのWebページをすべてのデバイスに読み込まないように、ソフトウェアで関連データとランダム データを分離していますが、空域は依然として非常に混雑しています。 2.4GHzは非常に一般的な周波数ですが、干渉を引き起こしているのはワイヤレス デバイスだけではない可能性があります。
高周波ノイズのせいで集中できないという経験はありませんか? それが自分に向けたメッセージではないことはわかっていますし、通常役立つ情報と関連付けられる周波数範囲にもありませんが、それでも気が散ってしまいます。ワイヤレス デバイスにも同じ問題があります。電子レンジや冷蔵庫などの電化製品、 照明、シールドが不十分な電源ケーブルやデータ ケーブル、さらには LCD画面 も、信号に干渉する可能性のある周波数を発しています。
答えはあるのでしょうか?
残念ながら、これらすべての問題を簡単かつコスト効率よく解決できる特効薬はありません。ラボでテストされたIoT製品であっても、家庭環境では信号の整合性の問題が発生する可能性があります。それでも、パフォーマンスの問題が発生しているかどうかを確認するための重要なポイントがいくつかあります。たとえ、より多くの電力を使用し、排出ガス認証を少し近づけることになったとしても、プロトコルの宣伝範囲の10% に合わせて設計してください。
無線信号強度のテスト
少なくとも製品の最初のバージョンではチップアンテナを使用し、トレースアンテナは市場を混乱させるために使用する製品の一部ではなく、コスト削減の可能性のある機会として使用してください。できるだけ多くの混雑した環境でテストし、シールドが不十分なアンテナで干渉を引き起こしていないことを確認してください。 電源 またはノイズの多いオンボード コンポーネント。他の設計上のニーズを考慮してそれが選択肢である場合は、ネットワークを維持するためのツールが組み込まれた低帯域幅の2.4GHzプロトコルを使用するか、人気の5GHz Wi-Fiバンドや900MHzプロトコルなどの低/高周波数を検討してください。今後数年間の接続デバイスの数に関する予測はますます驚異的になっているため、非標準周波数を使用しても、数年後に同じ混雑問題に直面しないという保証はありません。したがって、混雑したスペース向けに設計することは決して時間の無駄にはなりません。
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