РАЗРАБОТКА BLUETOOTH АНТЕННЫ ДЛЯ ПОЧВЕННО-ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Введение 3
I Технология Bluetooth как способ беспроводной передачи
информации 8
1.1 Концепция и основные положения технологии Bluetooth . . 8
1.2 Технические аспекты установки соединения между Bluetooth
устройствами 9
1.3 Спецификации 12
1.4 Набор базовых протоколов, используемых в Bluetooth для
передачи различных типов данных 17
1.5 Профили Bluetooth 20
1.6 Безопасность 21
II Состояние вопроса 25
2.1 Разработка антенны 27
2.1.1 Расчет ДН двух связных вибраторов в MMANA ... 30
2.1.2 Рамочные антенны
III Quados-4 антенна 34
3.1 Расчет диаграммы направленности модифицированной Quados-
4 антенны в MMANA 35
3.2 Стек из двух Quados-4 антенн 36
3.3 Стек из четырех Quados-4 антенн 38
3.4 Влияние зеркала на свойства антенны Quados-4 41
3.5 Разработка направленной Bluetooth-антенны для почвенно-
гидрологической станции 44
3.6 Стек из двух рамочных антенн типа двойного квадрата Харченко 46
IV Практическое исследование разработанной рамочной антенны 48
4.1 Оборудование используемое в экспериментах 48
4.2 Диаграмма направленности излучения антенны в горизонтальной плоскости 51
4.3 Диаграмма направленности излучения антенны в вертикальной плоскости 55
Заключение 57
Список литературы 59
Купить

В современном сельском хозяйстве активно идет процесс технического перевооружения. Применение новых технологий позволяет увеличить производительность, снизить себестоимость производства, а также улучшить качество продукции, удаленно следить за состоянием почвы и растительного покрова. Для сбора информации о состоянии почвенного покрова и гидрологии почв необходимо современное оборудование [1]. Сочетая применение локальных почвенно-гидрологических и метеорологических станций с обработкой данных дистанционного зондирования можно организовать мониторинг состояния большого количества сельскохозяйственных полей [2].
В данной работе рассматривается задача организации сбора данных с почвенно-гидрологических станций, которая измеряет параметры почвы непосредственно на обрабатываемом поле. Для того, чтобы обеспечить сохранность станции вовремя полевых работ, её необходимо разместить на глубине не менее 30 см — обычная глубина вспашки на Алтае около 25 — 27 см. Извлечение станции из земли для чтения данных нежелательно: во-первых, это весьма трудоёмко; во-вторых, при этом невозможно сохранить почвенный покров, что приведёт к изменению как отражательной способности, так и способности почвы испарять влагу — тем самым будут искажаться условия, в которых происходит процесс тепломассопереноса в почве.
В серийно производимых почвенно-гидрологических станциях для чтения как правило применяется сравнительно низкочастотный радиоинтерфейс — обычно это LPD433 [3], — что позволяет надёжно передавать данные сквозь слой влажной почвы с достаточно большим затуханием при использовании самых примитивных передающих антенн. Недостатком данного решения является то, что для чтения данных на компьютер необходимо использовать радиомодуль, подключаемый, например, по USB- интерфейсу, и специализированное фирменное ПО (например, GP5WShell для станций производства германской компании ecoTech Umwelt-Messsysteme GmbH), требующее активного взаимодействия с интерфейсом программы для любой операции. В плохую погоду и зимой это может доставить много неудобств обслуживающему персоналу.
Отдельная проблема связана с защитой данных. Протокол передачи данных, как правило, лишён надежного механизма защиты, что нежелательно, поскольку данные о состоянии почвенного покрова имеют конфиденциальный характер и хозяйства не заинтересованы в её бесконтрольном распространении.
Кроме всего сказанного, почвенно-гидрологическая станция как правило имеет автономное питание и, соответственно, весьма ограниченные энергетические ресурсы, что требует высокой экономичности применяемых решений. Использование радиоинтерфейса, постоянно работающего в эфир на передачу, недопустимо.
Все вышеперечисленные проблемы может решить применение радио-интерфейса стандарта Bluetooth: во-первых, в данном стандарте реализована возможность защиты канала связи; во-вторых, наличие стандартных протоколов обмена данными позволяет разработать ПО, способное производить чтение данных автоматически: как только известная прибору, читающему данные, станция появляется в пределах зоны действия сети. Современные реализации стандарта Bluetooth версии 4.0 имеют низкое энергопотребление и возможность активации передатчика командой, переданной по радио. Диапазон сертифицирован для применения в России при условии соблюдения ограничений на мощность передатчика. Отдельным преимуществом является потенциальная возможность чтения данных на практически любой смартфон.
Проблемой является высокое поглощение волн диапазона 2.4 ГГц почвой, особенно влажной [4]. Для решения этой проблемы предполагается разработать направленную антенну, которая обеспечит передачу сигнала со станции, расположенной на глубине до 30 см, на приёмное устройство (например, смартфон), расположенное над поверхностью земли.
Bluetooth — это современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства: смартфоны, планшеты, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи [5]. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Немного о истории Bluetooth: Производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson в 1994 году начал работы по созданию Bluetooth. Первоначально разрабатывалась беспроводная альтернатива кабеля RS— 232. Данная технология была приспособлена для системы FLYWAY (управление миграциями баз данных) в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.
Группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) была разработана спецификация Bluetooth, основанная в 1998 году. В неё вошли компании Toshiba, Ericsson, Intel, IBM и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования — 14 июня 2002 года).
Bluetooth — чип, представляющий собой высокочастотный приёмопередатчик, работающий в общедоступном диапазоне ISM (Industry, Science and Medicine). Данные частоты не требуют лицензии. Скорость передачи данных в асимметричном режиме порядка 720 Кбит/с и 420 Кбит/с в полнодуплексном режиме. Bluetooth протокол реализует передачу трех звуковых каналов. Мощность передатчика не превышает 10 мВт. Изначально дальность связи была на расстоянии не больше 10 метров. В настоящее время, используя современные микросхемы Bluetooth, расстояние удалось увеличить до 80-100 метров. Связь Bluetooth с точки зрения радиотехнологии способна "обходить" препятствия, следовательно соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости [6]. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth—устройства оказываются в пределах досягаемости. На практике для реализации технологии Bluetooth необходимо определенное программное обеспечение.
Купить