Radioasiaa Sähköpajaan

Transkriptio

1 Radioasiaa Sähköpajaan Juha Mallat, RAD-laitos Osaamistavoitteet Tämän osuuden jälkeen opiskelija osaa Nimetä radiolaitteen ja yhteyden käyttöön vaikuttavia ilmiöitä ja asioita Kuvata radioyhteyden osatekijät yksinkertaisen radiosovelluksen kannalta Selittää desibelin (db) käyttöä mittayksikkönä ja tunnistaa sen esimerkiksi radiotehon ja yhteysvälivaimennuksen määrityksessä Selittää joitakin käytännön radiosovellusmahdollisuuksia Käsitellä Sähköpajan mahdollisessa omassa radiosovelluksessaan ilmeneviä asioita suhteessa opittuun 2

2 Sisältö Radioaallot resurssina Radioyhteyden osatekijät Desibeli Aallon vaimentuminen Radioyhteyden vaihtelusta Etenemisilmiöitä Perusilmiöt sovelluksessa Esimerkkinä Freakduino Chibi Joitakin muita vaihtoehtoja omiin sovelluksiin 3 Radioaallot ovat kaikkialla Radiolaitteiden ja radioaaltojen sovelluksia on nykymaailmassa lukemattomia - tärkeimmät ovat tietenkin kaikki jokaiselle tuttuja, jokapäiväisiä Tee ajatuskoe: mitä nykymaailma olisi ilman radioaaltojen tuomia mahdollisuuksia miten etenkin tieto siirtyisi? Jatkuvasti laajenevat radiotekniikan sovellusnäkymät koko maailmassa: Internet of Everything, koti- ja liikenneautomaatio, turvallisuus, RFID jne. Sähköpaja-kurssin yhteydessä pieniä radiolaitesovelluksia voivat olla tiedonsiirto, kauko-ohjaus, langaton hälytin, paikannus... Radiotoiminto liittyy myös sellaisiin kuin WLAN, GPS, kännykkä => näitäkin voi olla mahdollista soveltaa itse kurssin yhteydessä Mielenkiintoista voi olla myös ohjata jo valmista kotiautomaatiota jne. 4

3 Radioaallot käyttöresurssina Yleisin radioaaltojen sovellusalue on tiedonsiirto => käytössä on radioyhteys Yksisuuntaisena esim. yleisradiotoiminnassa, kaksisuuntaisena esim. kännykkäverkoissa Radio on aivan normaali osa luontoa mekin kaikki säteilemme myös radiotaajuuksilla eli olemme heikkoja kohinatehon radiolähettimiä Nykyaikainen radiotekniikka tarjoaa suuren dynamiikan ja herkkyyden niin, että hyvin erilaiset sovellukset ja käyttötavat ovat toimivia Radiotaajuuksia ja -yhteyksiä käytetään maailmassa aivan äärimmäisen paljon => jo Sähköpajassa omien radiosovellusten suunnittelussa, toteutuksessa ja raportoinnissa on hyvä muistaa: Turhan käytön ja etenkin radiohäirinnän välttäminen Energian säästö (kun se on mahdollista & järkevää) Ainakin laitteenne paristo tai akku kestää samalla kauemmin! 5 Radiotaajuuksien käyttö & sääntely 6

4 Viestintävirasto: Radiolähettimen käyttö vaatii aina radioluvan, jos laitetta ei ole erikseen vapautettu luvasta Esimerkiksi 2,4 GHz:llä on yksi luvasta vapautettujen laitteiden yhteiskäyttötaajuuskaistoista Sillä on siis paljon mahdollisia käyttäjiä ja käyttötarkoituksia (WLAN ym.) ja alueen käyttö sallii melko nopean tiedonsiirron etenkin lähelle Siinä mielessä turvallinen, että jopa mikroaaltouunit toimivat siellä Taajuusalueen muista käyttäjistä voi tulla häiriöitä, mutta niin on kaikilla taajuuksilla Lähetysteholle on rajoitus, joten pieniinkään radiolaitteisiin ei saa esim. liittää (harkitsemattomasti) tehokasta suunta-antennia, koska sallittu säteilevän radiotehon raja voi ylittyä (=> ehkä häirintää ym.) Joillakin muilla taajuuksilla on myös rajoituksia käytön ajalle 7 Radioyhteyden osatekijät Periaatteessa radioyhteyden kaikki osatekijät lähettimestä vastaanottimeen on aina otettava huomioon suunnittelussa Nykyään massatuotteissa hyvien mutta samalla pienten antennien toteutus on haastavaa Sähköpaja-kurssilla radioyhteyden kokonaisuudesta paljon saadaan onneksi aivan valmiina Yksinkertainen yksisuuntainen radioyhteys: radioaalto tieto sisään Lähetin lähetysantenni V etenemisympäristö (myös: yhteysväli, radiokanava) vastaanottoantenni V Vastaanotin tieto ulos 8

5 Radioyhteyden osatekijät x E y H z Sähkömagneettinen säteily on poikittaista aaltoliikettä, joka etenee valon nopeudella (tyhjiössä valonnopeudella c, lähes km/s) Radiotaajuudet ovat sähkömagneettisen säteilyn spektrin pitkäaaltoinen osa Määritelmän mukaan infrapunataajuuksien alapuolella Etenevän aallon peruspiirre: kenttä kulkee värähtelyn yhden jakson aikana yhden aallonpituuden λ (lambda) verran Sähköpajan mahdollisissa radiosovelluksissa voi olla esimerkiksi seuraavia suuruusluokkia esillä: Taajuus f = 1 GHz => jaksonaika T = 1/f = 1 ns (siis vain 0, s) Näin nopean värähtelyn hyödyntämiseen tarvitaan yleensä erityisiä, nopeita radiopiirejä (ja siis myös radiotekniikkaa) Aallonpituus λ = c/f 30 cm Tämä suuruusluokka näkyy mm. tarvittavien antennien mitoissa 9 Radioyhteyden osatekijät Perustapaus radioaallosta vapaassa tilassa: Säteilyn sähkökenttä E ja magneettikenttä H sykkivät kohtisuorassa toisiaan ja etenemissuuntaa vastaan => kuvaava hahmotelma asiasta yhtenä ajanhetkenä: x E aallonpituus λ y H z = aallon etenemissuunta Aalto tarvitsee siis molemmat kentät Tarvittaessa esim. tiivis metallikotelo laitteen ympärillä estää sähkökentän - ja siis myös aallon kulun kotelon läpi (Kuvapohjan lähde: Räisänen & Lehto, Radiotekniikan perusteet ) 10

6 Radioyhteyden osatekijät x E Lisävinkki: webin kuvahaku EM wave y H z = aallon etenemissuunta Tarkastellaan tästä aallosta esimerkiksi sähkökentän E käyttäytymistä => saadaan tulos: E max 0 -E max z (tai t) Sähkökentän voimakkuus on sekä paikan että ajan suhteen sinifunktion muotoinen; siis siniaalto Kaikkien radiosignaalien voidaan ajatella muodostuvat näistä -eri taajuuksilla tilanteen mukaan! 11 Radioyhteyden osatekijät Nykyään tehokkain tiedonsiirto on digitaalista eli bittien siirtoa - tämä on totta myös radioaaltoja hyödyntävissä yhteyksissä vaikka analoginen tiedonsiirtokin elää yhä, esimerkiksi FM-radiossa Miten tieto saadaan aallon mukaan? Tieto liitetään lähettimessä radiotaajuisen jännitteen johonkin ominaisuuteen sama teknisillä termeillä: kantoaaltoa moduloidaan siirrettävällä tiedolla, digitaalisessa siirrossa siis bittien arvojen 1 tai 0 mukaisesti T b amplitudi taajuus vaihe t t t Kantoaaltoteho kytketään antenniin => antennin tuottaa etenevän radioaallon, osa tehosta kaapataan toisella antennilla vastaanottimeen, mukana tullut tieto erotetaan ilmaisinpiirillä käyttöön Vastaanotossa lähes mitätön osa tehosta riittää, mutta vähän enemmän on varmempaa ja vaihtoehtoja kokonaistoteutukseen on loputtomasti niistä enemmän muilla kursseilla 12

7 Radioyhteyden osatekijät Antenni olennainen osa radioyhteyttä ja radiotekniikkaa - antennilla radioaallon kentät lähetetään ja vastaanotetaan Perusidea: Käytännön antenni toimii yhtä hyvin ja olennaisesti samoilla ominaisuuksilla sekä lähetyksessä että vastaanotossa Pienet antennit toimivat kohtuullisesti melkein kaikkiin suuntiin Suunta-antennit vahvistavat yhteyden toimintaa - mutta vain määritellyssä suunnassaan ja muihin suuntiin ne vaimentavat Tarpeen ja tilanteen mukaan sopivammilla antenneilla voidaan optimoida sitä, että haluttu signaali ylittää vastaanotossa haittaavat tekijät: Muiden lähettäjien, sähköisten koneiden ja sovelluksen omatkin radiohäiriöt Aina kaikkialla olemassa oleva kohina perimmäinen syy vastaanottimen herkkyyden rajallisuuteen Kohinasta ei valitettavasti edes voida päästä kokonaan eroon! 13 Radioyhteyden osatekijät Esimerkki: perinteinen antenni tyyppiä dipoli tai oikeastaan puolet siitä eli monopoli Suojamuovin sisällä on hieman kaapelia ja johdin, jonka virta tuottaa radioaallon Antennilla on ideaalisessa tilanteessa tyypillinen säteilykuvionsa samalla siis myös vastaanottokuvio Vahvistusta tiettyihin suuntiin Mutta: käytännössä antennin kentät kokevat myös ympäristön vaikutuksen => säteilykuvio muuttuu helposti teoreettisesta jossain määrin erilaiseksi Tässä tapauksessa Freakduinon piirilevy ym. tai myös laitteeseen tarttuva käyttäjä muodostavat osan antennikokonaisuudesta 3D-säteilykuvio periaatteessa kuin donitsi Freakduino Chibin 2,4 GHz:n antenni 14

8 Desibeli (db) Desibeli on yleisesti käytetty logaritminen yksikkö radiotekniikassa samoin sähkötekniikassa laajemminkin ja monella muullakin alalla Ideana on, että voidaan kätevästi kuvata kahden arvon suhdetta (=> kaikki insinöörit tietävät mikä desibeli on) I db Yleisimmin - etenkin radiotekniikassa - vertailtava suure on luonteeltaan teho (P) debba Jos suure on muunlainen, niin db-lasku muunnetaan teholaskua vastaavaksi 10 db vastaa tehosuhdetta 10:1 helppo muistaa ±10 db vastaa siis kätevästi myös pilkun siirtoa yhdellä desimaaliluvussa - eli arvon muutosta yhdellä dekadilla Tyypillinen laskutilanne: G = 10 * log 10 (P out /P in ) [db] Jos tässä G on esimerkiksi vahvistimen vahvistus P in G debbe P out 15 Desibeli (db) vs. paljas luku Vertailua: Tehosuhde db-arvona ja lukuna lineaarisella asteikolla: P 1 /P 2 [db] Huomattavaa myös: 0 db:n alapuoleltakin löytyy arvoja, negatiivisina <=> lineaarisena positiivisten suhteiden käänteislukuja Lineaarinen 0 on saavuttamaton dbasteikolla! P 1 /P 2 (lineaarinen asteikko, paljas luku) (P 1 /P 2 ) [db] = 10 * log 10 (P 1 /P 2 ) => kuvan käyrä log-muotoineen Käänteinen lasku olisi: P 1 /P 2 = 10 (P 1 /P 2 [db])/10 16

9 Desibeli (db) lisää käytännöstä Logaritmisena yksikkönä db antaa mahdollisuuden käsitellä myös varsin eri suuruusluokkia olevia arvoja järkevällä tavalla Lukuarvoina, tulosten kuvaajissa ym. Kertolaskut muuttuvat helpoksi desibelien yhteenlaskuksi Esimerkiksi radiotekniikassa kaksi tehon arvoa voisi olla 100 W ja 0, W => näinkin iso suuruusluokkien ero hahmottuu yksinkertaisesti: 100 db Tekniikan opinnoissa ja insinöörielämässä tulee usein vastaan: Monessa asiassa 3 db:n muutos on olennainen kriteeri tai raja siis melko tarkasti juuri tehosuhde 2:1 tai 1:0,5 Harjoitus- ja kertaustehtävä: Mitä tehosuhdetta vastaa 6 db? 17 Etäisyys vaimentaa Radiosovellusten peruskysymys on: paljonko yhteysvälillä on vaimennusta? Radiolähettimen sähkömagneettisen säteilyn voidaan ajatella leviävän lähestyspisteestä etäisyyden mukana suureneville pallopinnoille => pallon säde r on sama kuin etäisyys Pallojen pinta-alat => alan r 2 riippuvuus => tehotiheydelle vastaanotossa 1/r 2 riippuvuus Desibelitarkastelusta saadaan varsin hyvä nyrkkisääntö : Radioyhteyden etäisyys kaksinkertaiseksi => vastaanotettuun tehoon tulee 6 db vaimennusta Tarkimmin tämä pätee tietenkin vapaassa tyhjässä tilassa Käytännössä ympäristö aiheuttaa vaihtelua A pallo = 4π r 2 18

10 Etäisyys vaimentaa Suht. teho [db] Yhteysvälin pituus [m] Idealisoitu esimerkkitapaus suhteellisen signaaliteholukeman vaimentumisesta etäisyyden kasvaessa Pohdittavaa: Missä vaimentuminen on nopeinta etäisyyden kasvaessa? Miksi näin? 19 Radioyhteyden vaihtelu Käytännössä radioaalto on harvoin vapaassa tilassa, joten matkaviestinnän tyypillinen tilanne on kuvaava: (Kuvan lähde: Räisänen & Lehto, Radiotekniikan perusteet ) Verhokäyrä Monitie-eteneminen radioaaltoa saapuu aina hieman eri reittejä pitkin Etäisyys Näin käy myös sisätiloissa Kokonaiskenttä antennin kohdalla muodostuu paikasta ym. riippuen vaihtelevista osista => sovelluksissa on muistettava ottaa huomioon myös vastaanotetun signaalitehon vaihtelu ja paikkariippuvuus 20

11 Radioaaltojen etenemisestä TX?? Entä missä radioaaltojen voidaan ajatella kulkevan? Tarvitaanko tilavuutta välillä lähettimestä vastaanottimeen? Käytännön vastaus: hieman tilavuutta toki tarvitaan mutta tarkempi käsittely olisikin jo jatkokurssien asiaa Radioaaltojen saapumiseen tiettyyn paikkaan vaikuttavat vielä: Välissä olevien rakenteiden, esimerkiksi seinien, materiaalien aiheuttama vaimennus läpäisylle RX Sähköisesti (tai magneettisesti) erilaisten pintojen ym. aallolle aiheuttamat heijastukset; sironta pienistä tai epätasaista kohteista Ulkona esim. sadepisarat! Aallon taipuminen osittain myös kohteiden taakse 21 Radioaaltojen etenemisestä Yhteenveto: monimutkaisessa ympäristössä radioaallon etenemisen tarkka arviointi on käytännössä mahdoton tehtävä Eri ilmiöiden takia kentät kuitenkin yleensä leviävät varsin hyvin kaikkialle! Johtopäätös: Radioyhteyteen perustuva sovellus kannattaa tarpeen mukaan suunnitella joustavaksi signaalin kulkemisen suhteen Usein on hyvä varmistaa mittaamalla tai kokeilemalla Mahdollisen hyvin lähellä olevan käyttäjänkin vaikutus tuo yleensä pientä vaihtelua Joskus voi tulla satunnainen yhteyskatkos tai häiriö koska radioaalto ei ole kuin kiinteä johto vaikka on muuten usein paljon sitä kätevämpi! 22

12 Radion perusilmiöitä sovelluksessa Otetaan lähtökohdaksi yksinkertainen tiedonsiirtoyhteys kahdella 2,4 GHz:n radiolaitteellamme (lähetin ja vastaanotin, RX ja TX ): Lähettimen antenni tuottaa vapaassa tilassa etenevän aallon Antennin piiskan suunta vastaa syntyvän radioaallon sähkökentän vektorin suuntaa (=> polarisaatio) Antennin koko: yleensä pituus vastaa ainakin ¼-aallonpituutta => lähetyksessä kenttien tuotto on tehokasta, säteily lähtee radioaaltoina tehokkaasti ympäristöön etenemään Vastaanotossa kaikki tapahtuu päinvastoin ja yhtä hyvin vapaan tilan kenttien teho muuntuu antennin avulla tehoksi radiovastaanottimen piireihin Jos antennien säteilykuviot osoittavat vääriin suuntiin ja/tai polarisaatiot eivät ole hyvin kohdallaan, niin radiotehon ja siten myös signaalitiedon välittyminen perille heikkenee 23 Kokeiltava esimerkkipiiri Esimerkkinä oleva Arduino+radio -piiri Freakduino Chibi toimii 2,4 GHz:n taajuusalueella Periaatteessa rakennussarja ja kehitysalusta - jota saa myös osat valmiiksi piirilevylle juotettuna Laitteen radiopiiri on ammattituote; kokonaisuus on integroitu yhteen levylle; suunniteltu vastaamaan standardeja ja radiomääräyksiä Arduinon ja radion yhteiskäyttö mahdollista jopa heti ilman lisäpiirien yksityiskohtien opettelua tai kytkentälangoitusten tekoa Lähetys ja vastaanotto hyvin yksinkertaisilla käskyillä Pieniä ohjelmaesimerkkejä, mutta lopullinen toiminnallisuus on itse toteutettavissa sovelluksen tasolle softakin on open source Radioyhteys useamman tällaisen laitteen välillä toimii digitaalisena tiedonsiirtokanavana voimme siis tehdä oman radioverkon tms. sisätiloihin tai pienille etäisyyksille ulos 24

13 Kokeiltava esimerkkipiiri Freakduino Chibi Huom: prosessorista mm. SPIväylä on käytössä radiopiirin ohjauksessa RADIO-IC MUUTAMIA PIENIÄ RADIOKOMPONENTTEJA ANTENNILIITIN ARDUINO-I/Oliitännät, ledit jne. RESET-painike Freakduinon piirilevyn radionurkka PROSESSORI USB-liitäntä (<=> PC, IDE) Ulkoisen käyttöjännitteen liitäntä Muuten vain kätevää: patterikotelo valmiina alla ja paristoista ( 2 x AA ) saadaan jännite-muunninpiirin avulla heti laitteen käyttöjännitteet (siis myös ilman virtajohtoja yms.) 25 Desibelilukemia laitteesta Parhaista radiopiireistä saadaan helposti ohjelmallisesti luetuksi vastaanotetun signaalin voimakkuustieto dblukemana Esim. Freakduinosta 1 db:n askelin laajalla db-alueella Tietoa voi hyödyntää monin tavoin sovelluksesta riippuen, esimerkiksi: Yhteysvaimennuksen seuranta => yhteyden varmistus Laitteen, antennin jne. toiminnan arviointi Radiolaitteiden keskinäisen etäisyyden likimääräinen arviointi Lähetystehon säätö (sopivaksi tarpeen mukaan) 26

14 Ohjelmaesimerkki Seuraavalla kalvolla on yksinkertainen ohjelmakoodiesimerkki lähetyksestä, vastaanotosta ja signaalinvoimakkuuden hausta ja tulostuksesta sarjaporttiin Freakduinolla Ohjelmointi laitteeseen käy normaaliin tapaan Arduino-IDE:llä Freakduinon kirjasto toki ensin IDE:n alle Sarjalinjalle tulostettuja merkkejä voi tutkia IDE:n Serial Monitorilla tms. kuten yleensä 27 (Tässä CHB_MAX_PAYLOAD on chibi.h:ssa määritelty suurin puskurin pituus) (Tässä BROADCAST_ADDR on määritelty chibi.h:ssa ja 12 on viestille määritelty pituus: merkit + loppumerkki) 28

15 Muita vaihtoehtoja: 433 MHz 433 MHz:llä on kulutuselektroniikan langattomien sääasemien, verkkokytkimien, erilaisten ohjaimien, anturien, avaimien yms. lyhyille signaaleille yleisesti käytetty radiokaista Omissa sovelluksissa on siis mahdollisuus kerätä tietoa näistä tai liittyä ohjaukseen Tietojen loggaus, seuranta, hälytys... Ohjaus ja automatisointi Arduinon yms. avulla Etenkin edullisissa laitteissa tieto siirtyy radioaallon amplitudin vaihteluissa on/off => hyvin yksinkertaisen radiolinkin vastaanotin ja lähetin ovat riittävä apu esim. monenlaiseen harrastetyyppiseen toimintaan Viestikoodauksen haku vaatii yleensä googlailua ja/tai käytännön tutkimustyötä! => tulee tutuksi myös ns. reverse engineering 29 Muita vaihtoehtoja: 433 MHz Kokeilu: 433 MHz:n pienen radiolinkkiparin vastaanotin Vain 3 liitäntää on tarpeen: käyttöjännite (V- ja V+) ja DATA (=> vastaanotettu ja ilmaistu tieto jännitetasona ulos) (Päältä) (Alta) 433MHz RF link kit Lyhyt antennipiuha (5-10 cm) juotettava itse ANT-liitäntään Esim. +5 V Arduinon I/O GND Arduinossa 30

16 Muita vaihtoehtoja: 433 MHz Langattoman lämpömittarin ilmaistua radiosignaalia Tutkimus onnistuu jopa kotikonstein oheinen osuus on 433 MHz:n vastaanottimen datalinjasta (vastusjaolla) PC:n äänikortin avulla talletettua Alussa on vielä radiokohinaa Varsinaista signaaliosuutta Näytteitä olen ottanut taajuudella 22,05 khz => yhden näytejakson aika on n. 45 μs Koko viesti kestää n. 0,3 s 31 Muita vaihtoehtoja: 433 MHz Osa langattoman lämpömittarin signaalista tarkemmin: Viestin siirrettävä tieto on bitteinä ja koodattuna pulssien pituuksissa Tällä mittarilla: lämpötila- & kosteuslukema ja anturin kanava 1-3 Bitit 0 ja 1 ovat näissä: & => Arduinolla tutkimaan ja käyttämään! (ja Arduino & 433 MHz:n lähetin käyvät tällaisten omaan lähetykseenkin) 32

17 Muita radioperustaisia sovelluksia Kännykkäyhteyksien hyödyntäminen Yhteydenpito mahdollinen liikkuvasti ja melkein kaikkialla Käyttöä tiedonkeruuseen, valvontaan, hälytyksiin, automaatioon, ohjaukseen...mitä vain mielikuvitus keksii - tekstiviesteillä, erilaisilla nettitoiminnoilla ja ihan tavallisilla puheluillakin Vastaanotto ja lähetys onnistuvat Arduinonkin (yms.) avulla sopivilla kännykkälaajennusmoduuleilla ja pienellä valmiilla antennilla Tietoa tarjolla: esim. webbihaku GSM GPRS module Arduino Moduulin ohjaus on toteutettava itse - ja mieluimmin sovellettava webistäkin löytyviä suhteellisen helppoja malliesimerkkejä Ns. AT-käskyt ovat ohjausstandardi => pääosin lyhyitä käskykoodeja Kännykkäliittymä (=> moduuliin SIM) on tietenkin hankittava myös Varovaisille kokeilijoille jokin halpa prepaid voi olla aluksi sopivin valinta Huom: Lähettimen ja antennin kanssa on aina syytä olla vähän varovainen vaikka kyseessä onkin oikeastaan vain tavallinen kännykkä 33 Muita radioperustaisia sovelluksia Paikannus tai navigointi GPS:n avulla Käyttökelpoinen etenkin ulkona - kuten tunnettua Paljon satelliitteja taivaalla tarkoilla radoillaan => signaalien vastaanotto ja signaalien etenemisen viiveiden hyödyntäminen 3D-paikannuksessa Kaupallisiin GPS-piireihin perustuvat lisämoduulit Arduinolle yms. Myös pieni antenni kaapelin päässä tarvitaan taas - kannattaa käyttää valmista antennia GPS:n vastaanoton koko toteutus (itse) olisi hyvin monimutkainen asia mutta valmiin piirin avulla tekninen vaikeus häipyy => jäljellä vain piirin yksinkertainen ohjaus ja piirin antaman tiedon hyödyntämisen haasteet Piireistä saa tiedon ulos tavallisena sarjaliikennedatana ja NMEAstandardimuodossa Paikkakoordinaatit - mutta tyypillisesti tietoa on saatavissa tarkkuudesta, liikenopeudesta, suunnasta, itse satelliiteista jne. => käyttö yksinään tai jonkin muun sovelluksen kanssa kannattaa ensin tutustua asiaan 34