Dálková ovládání - radiofrekvenční nebo infračervená II. díl

RF datová komunikace

Radiofrekvenční komunikace využívá jako přenosové médium elektromagnetické vlny. Jejich vlastnosti šíření umožňují spojení na extrémně velké vzdálenosti. Elektromagnetické vlny do určité míry procházejí nestínícími materiály (např. betonovými zdmi). Tato atraktivita vyžaduje určitá omezení vynucená celosvětovými předpisy definovanými normalizačními skupinami (např. ETSI, FCC, …). Pro všechny regiony světa existují závazné předpisy, které zahrnují následující aspekty:

Frekvenční pásma (spektrum)
Maximální výkon vysílaných rádiových vln
Šířka pásma vysílaného signálu
Doba trvání vysílání (pracovní cyklus)
Účel vysílání (např. televizní vysílání, mobilní telefonní sítě, komunikace s úřady, obecný účel)
Licenční poplatky

Pro aplikace dálkového ovládání jsou k dispozici některá bezlicenční pásma, tzv. pásma ISM (průmyslová, vědecká a lékařská pásma). Pro oblast 1 (Evropa, Afrika, bývalý Sovětský svaz) je nejatraktivnější frekvenční pásmo 434 MHz, pro Severní a Jižní Ameriku 902…928 MHz. Kromě toho se v Evropě pro dálkové ovládání běžně používá pásmo SRD (pásmo pro zařízení krátkého dosahu) na 868 MHz a v USA frekvenční pásmo na 315 MHz. Alternativou s celosvětovou kompatibilitou je pásmo ISM na frekvenci 2,4 GHz. Bohužel frekvence 2,4 GHz vyžaduje vyšší spotřebu energie při srovnatelném dosahu, a tedy i vyšší náklady. V praxi se u dálkových ovladačů RF jako nosná frekvence používá 315, 434 nebo 868 MHz.

Data užitečného zatížení musí být modulována na RF nosiči. V zásadě jsou populární dvě poměrně jednoduché modulační techniky: Amplitudové klíčování s posunem (ASK) a frekvenční klíčování s posunem (FSK). Z důvodů spotřeby energie se ASK většinou realizuje jako On-Off-Keying. To znamená, že nosič se jednoduše zapíná a vypíná (stejně jako je tomu u infračervené komunikace popsané výše). Vysílače pro obě techniky, ASK i FSK, mohou být realizovány jako výkonové zesilovače třídy C, což vede k vysoké energetické účinnosti. U ASK není třeba vůbec měnit nosnou frekvenci. V tomto případě jsou vysílače na bázi SAW první volbou, pokud je akceptována určitá frekvenční tolerance. Použití krystalem stabilizovaných PLL-syntetizérů umožňuje vyšší výstupní výkon, protože nepotřebují žádné bezpečnostní rezervy z hlediska mezí regulace. Pro FSK lze vysílače na bázi SAW použít pouze s určitými omezeními a záludnostmi, protože výstupní frekvence se musí plynule střídat. Proto se FSK přednostně realizuje pomocí PLL-syntezátorů, které umožňují přesné generování obou frekvencí digitálním přepínáním děliče PLL. Obecně FSK poskytuje lepší odolnost proti rušivým vlivům za cenu vyšší hardwarové složitosti a mírně zvýšené spotřeby energie.

Určité know-how a úsilí je třeba vynaložit na návrh samotné antény a přizpůsobovací sítě mezi anténou a Tx- nebo Rx-IC. Moderní softwarové nástroje usnadňují konstruktérům tento důležitý krok návrhu. Výzvou je najít návrh nebo koncepci antény, která představuje dokonalý kompromis mezi náklady a výkonem. Kromě toho je pro splnění rádiových předpisů nezbytný čistý návrh RF.

Obousměrné RF dálkové ovládání

Špičková dálková ovládání mohou být založena na obousměrných RF spojích. Kromě spojení od dálkového ovladače k ovládanému zařízení existuje další spojení zpět od zařízení k ovladači. Toto zpětné propojení lze využít k několika účelům:

Zabezpečení odolnosti vzdáleného spojení pomocí protokolů handshake: Řídicí jednotka čeká na pozitivní potvrzení, že příkaz byl úspěšně přijat. V opačném případě zahájí nový pokus o přenos (možná s vyšším výstupním výkonem nebo na jiném RF kanálu).
Poskytnutí zpětné vazby uživateli: Displej na dálkovém ovladači může vizualizovat informace z ovládaného zařízení (např. stav zařízení). To může být zvláště atraktivní v případě, že mezi uživatelem a dálkově ovládaným zařízením není přímá viditelnost.

Obousměrné RF spoje jsou realizovány pomocí tzv. RF-přijímačových integrovaných obvodů, které obsahují RF-přijímač a RF-vysílač sdílející jednu PLL a používající jednu anténu.

RF protokoly

RF protokoly dálkového ovládání musí v zásadě reprezentovat stejné informace jako IČ protokoly dálkového ovládání: Adresa zařízení a příkaz. Komunikace prostřednictvím RF však vyžaduje některá další opatření (viz níže kapitola Co je třeba doplnit při přechodu z IČ na RF). Spotřeba energie RF-vysílače není tak vysoká jako u IČ-LED a maximální přenosové rychlosti RF-spojení jsou vyšší, což má za následek kratší trvání rámců. V důsledku toho je možné pomocí RF vysílání vytvářet rámce s větším počtem bitů a větším obsahem informací a zároveň šetřit čas potřebný k provozu na baterie. Tato skutečnost umožňuje některé další zajímavé funkce dálkových ovladačů RF.

Každý dálkový ovladač RF vyžaduje jedinečné ID. To lze porovnat s adresou zařízení IČ dálkových ovladačů. Jediný rozdíl je v tom, že IČ používá stejnou adresu pro celou řadu zařízení stejného typu modelu, zatímco RF dálkové ovladače používají skutečné jedinečné ID, což znamená, že každý vysílač na celém světě má jiné ID. Proto je délka bitů vyhrazených pro RF ID delší (např. 32 … 40 bitů).

Jak bylo uvedeno výše, některé IČ protokoly poskytují přepínací bit pro identifikaci po sobě jdoucích stisků tlačítek. Některé RF protokoly dokonce implementují čítač signalizující, jak často bylo tlačítko opakovaně stisknuto.

Pro zvýšení odolnosti RF spoje se často generují hodnoty CRC (cyklická redundanční kontrola), které se přenášejí jako součást rámce (např. 8 bitů). Přijímač může jasně identifikovat případné bitové chyby přepočítáním hodnoty CRC přijatého datového rámce a porovnáním s hodnotou vygenerovanou před přenosem.

Úroveň nabití baterie vysílače může být signalizována nejen jedním bitem (battery low bit), ale dokonce celým 4bitovým nebo 8bitovým datovým polem představujícím naměřené napětí baterie.

Další zabezpečení lze zavést pomocí plovoucích kódů, které mění některé bity s každým stisknutím tlačítka (např. jednoduchý 16bitový čítač), a šifrováním celého užitečného zatížení nebo alespoň jeho části (např. AES nebo XTEA).

Věci, které je možné přidat při přechodu z IČ na RF

Různorodé výhody RF oproti IČ motivují inženýry k přeměně stávajících systémů dálkového ovládání z IČ na RF.

Výměna IČ-LED za RF-vysílač (-modul) a IČ-přijímače za RF-přijímač (-modul) není velký problém. Za touto jednoduchou větou se skrývá značné konstrukční úsilí. Zatímco IČ-hardware je poměrně jednoduchý (IČ-dioda jako vysílač a integrovaný IČ-přijímač s digitálním výstupním signálem jako přijímač), RF-hardware je složitější. Jednoduchým řešením může být použití RF-modulů, které obsahují všechny potřebné součástky na malé desce plošných spojů. Optimálním řešením je specializovaná konstrukce vysílače a přijímače. To dává možnost použít specifickou anténu a vhodnou konstrukci přizpůsobení antény.

Každopádně v mnoha případech musí být úsilí co nejmenší a změny na straně vysílače a přijímače musí zasahovat do zbytku systému jen v minimální míře. Naivní myšlenka zachovat IČ-protokol v podstatě beze změny a modulovat stejný datový rámec na RF nosné se jeví jako chytré řešení. Bohužel to nebude fungovat z následujících důvodů:

Probuzení přijímače

Jak bylo uvedeno výše, zásadním požadavkem je nízká spotřeba energie přijímače v pohotovostním režimu. Zatímco infračervený přijímač může zůstat napájen při značně nízké spotřebě (přibližně 1 mA), RF-přijímač spotřebovává 5 mA nebo i více. K překonání tohoto problému lze použít vhodné schéma dotazování. Během dotazování je přijímač na krátkou dobu zapnut, aby se ověřilo, zda je k dispozici platný signál. Pokud tomu tak není, přijímač se okamžitě vrátí do režimu vypnutí. V závislosti na intervalu dotazování je třeba navrhnout vhodný RF protokol. Po stisknutí tlačítka na dálkovém ovladači musí být vyslána předem definovaná dostatečně dlouhá sekvence, která dá přijímači možnost probudit se po skončení intervalu dotazování.

Synchronizace přijímače s časovačem příchozích dat

Infračervené protokoly jsou velmi robustní z hlediska přesnosti časování. I při značně vysoké nestabilitě časovače je možné rozlišit nulové a jednobitové signály. RF komunikace je mnohem citlivější na chyby časovače. Proto musí přijímač před zahájením dekódování užitečného zatížení změřit časovač příchozího datového rámce. Dostatečně dlouhá preambule (run-in a synchronizační vzory) s pevným obsahem (např. 000…0001) v protokolu umožňuje RF-přijímači synchronizaci s časovačem příchozího signálu.

Kódování

Infračervená komunikace je poměrně odolná proti rušivým vlivům (např. slunečnímu záření), protože se používá modulace 38 kHz s vypnutým signálem. Naproti tomu rádiová komunikace je mnohem citlivější na šum. Proto RF přijímače automaticky upravují svůj práh s nulovým rozhodováním (data slicer) na základě příchozího datového signálu. Aby byla dobře umístěna rozhodovací úroveň, musí být nulové a jedničkové bity rozmístěny ve vyváženém výskytu. To se realizuje kódováním vlastního užitečného zatížení pomocí kódů bez stejnosměrných složek. Jedním z běžně používaných kódů pro tento účel je manchesterské kódování, které reprezentuje každý bit užitečného zatížení dvěma po sobě jdoucími nerovnými čipy. Vlastní bitová informace je reprezentována středovou hranou uprostřed těchto dvou čipů. Vzestupná hrana se vztahuje k jednomu bitu, klesající hrana se vztahuje k nulovému bitu (nebo naopak).

Jedna nevýhoda manchesterského kódování je zřejmá: počet bitů na kanálu (tzv. čipů) je ve skutečnosti dvakrát vyšší než v užitečném zatížení, protože každý bit užitečného zatížení je reprezentován dvěma čipy. To znamená, že skutečný datový tok a požadavky na šířku pásma jsou dvakrát vyšší než u nekódovaných dat.

Jedinečné ID a párování

Vzhledem k tomu, že IČ komunikace je omezena na přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem, je riziko neúmyslného ovlivnění stejných systémů v sousedství malé. Všechny modely daného typu zařízení používají stejnou identifikaci a jejich dálkové ovladače jsou vyměnitelné. V tomto smyslu se ukazuje, že větší dosah rádiových dálkových ovladačů, které procházejí i zdmi, je určitým problémem. Existuje vysoká pravděpodobnost, že někdo bez záměru ovládá zařízení v sousední místnosti. Řešením tohoto problému je spárování RF vysílače a RF přijímače pomocí jedinečného kódu vloženého do datového rámce. Obvykle každý RF vysílač poskytuje pevně zakódovaný jedinečný identifikátor. Přijímač musí být spárován s každým z přidělených vysílačů během párovací procedury, při níž se přijímač dozví jedinečný identifikátor daného vysílače. Proces párování se obvykle zavádí stisknutím vyhrazeného tlačítka na jednotce přijímače. Další přijaté ID se přidá do seznamu spárovaných zařízení. V běžném provozu bude přijímač přijímat pouze datové rámce s ID kódy, které se naučil během předchozího postupu párování. Všechny ostatní rámce s neshodnými kódy jsou jednoduše ignorovány. V důsledku toho přijímač vyžaduje nevolatilní paměť (např. EEPROM, Flash, …), aby mohl uchovávat seznam párování i během vypnutí napájení.

Shrnutí a závěr

RF dálkové ovladače poskytují uživateli ve srovnání s IČ dálkovými ovladači řadu výhod. Nejdůležitější je rádiový dosah, protože rádiové signály procházejí i betonovými zdmi. Uživatel nemusí na přijímač mířit. Vysoká robustnost RF spojení vede ke zvýšení použitelnosti a komfortu. Kromě toho RF komunikace umožňuje konstruktérům implementovat nové funkce a zabezpečení. Nižší spotřeba energie pro RF-vysílač umožňuje použití menších baterií, které není nutné měnit po mnoho let používání.

Náročnost návrhu a materiálové náklady na RF dálkové ovladače jsou již v rozsahu IČ dálkových ovladačů, protože integrované vysílače a přijímače-IC zjednodušují schéma při optimálním výkonu.

Tento článek vám přináší Autoklíče.cz. Potřebujete-li vyřešit problém s vaším autoklíčem, např. vyměnit baterii, nebo byste potřebovali kopii klíče vložkového, schránkového či skříňového? Můžete se na nás s důvěrou obrátit. Zhotovujeme též klíče pro motocykly. Podívejte se na ceník našich služeb.