,Kryteriami doboru jest przede wszystkim analiza właściwości fizycznych fal radiowych dla poszczególnych częstotliwości.,Dalszymi kryteriami są: moc nadajnika, czułość odbiornika, prostota implementacji hardware.,Częstotliwość 169MHz wydaje się najbardziej korzystna ze względu na przenikliwość fal. Jednak żeby uzyskać dobry zasięg, dobrze by było, żeby antena była nie krótsza niż półfalowa, co daje długość ok. 89 cm. Projektowane urządzenie ma jednak małe gabaryty, a antena ta powinna zmieścić się wewnątrz obudowy, więc długość ta nie wchodzi w grę. Duże gabaryty to też większa pojemność pasożytnicza, więc więcej energii jest potrzebnej dla przeładowywania tej pojemności. A urządzenie jest zasilane bateryjnie i powinno pobierać jak najmniej energii.,Z kolei pasmo 433 MHz jest jedynym wolnym pasmem dostępnym prawie na całym świecie i w związku z tym producenci pilotów samochodowych, bram zdalnie sterowanych, zabawek itp. korzystają właśnie z tego pasma. Powoduje to ogromne zaśmiecenie tych częstotliwości, co może powodować w pewnych lokalizacjach, że transmisja będzie niemożliwa. Ważną rzeczą jest tu, że w pasmie tym maksymalna dozwolona moc nadawania to tylko 10 mW, co powoduje duże ograniczenie zasięgu. I antena dla tego pasma ma nadal dość spore gabaryty – w tym przypadku dipol półfalowy powinien mieć długość ok. 33 cm. Jest to to nadal za duży gabaryt jak na małe urządzenie bateryjne .,Częstotliwość 2,4 GHz wydaje się najbardziej korzystna ze względu na gabaryty anteny, ale niestety jest ona już silnie tłumiona przez większość przeszkód (materiałów). Żeby więc uzyskać dobry zasięg trzeba by pracować z dużą mocą nadawczą. Jak wyżej wspomniano, urządzenie zasilane jest z baterii, więc z drugiej strony jest potrzeba ograniczania mocy nadawania do minimum. W pasmie tym pracują też sieci WiFi i Bluetooth, więc jest ono bardzo mocno zapełnione i zaszumione, co powoduje, że trzeba tu stosować bardziej zaawansowane układy nadawczo-odbiorcze, które wykrywają chwilową zajętość danego kanału.,W wyniku powyższej analizy, Częstotliwości 169 MHz oraz 2,4 GHz uznane zostają jako najmniej rokujące i nie będą dla nich przeprowadzane dalsze badania. Częstotliwości 433 MHz i 868 MHz wyglądają na najbardziej warte uwagi. Dla nich więc będą prowadzone dalsze badania.,Modemy LoRa zestawione w tabeli 1 można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich obejmuje układy SX1272 i SX1273, które są przystosowane do pracy z częstotliwościami z zakresu 860..1020 MHz. Druga grupa to układy SX1276, SX1277, SX1278 i SX1279 mogące pracować z częstotliwościami od 137 do 1020 MHz, zależnie od modułu. W porównaniu do układów z pierwszej grupy mają one większą czułość odbiorników radiowych, a ich pasmo zaczyna się już od 7,8 kHz, w przeciwieństwie do pierwszej grupy modemów, gdzie dopuszczalne pasmo zaczyna się od 125 kHz,Po wstępnej analizie parametrów poszczególnych układów postanowiono zrezygnować z badania układów SX1272, SX1273 oraz SX1278. Jest to spowodowane tym, że układy SX1272 i SX1273 mają najniższą czułość, a przy pomoc układu SX1278 nie można zbadać pasma 868 MHz.,Do badań wybrano więc i zakupiono układy SX1276, SX1277 oraz SX1279.,

,Antena w urządzeniu radiowym jest bardzo ważnym elementem i generalnie to ona decyduje o sile nadawania i jakości odbioru. Zazwyczaj nie da się odrobić strat mocy nadawania źle dobranej anteny poprzez zwiększanie mocy dostarczanej do anteny. Po stronie odbiorczej dobór anteny jest sprawą łatwiejszą, ale nie należy jej bagatelizować, gdyż odpowiednio kształtując antenę odbiorczą można zminimalizować niepożądane efekty, a przez to zwiększyć czułość całego odbiornika.,Urządzenie docelowe w swoich założeniach nie ma określonej orientacji w przestrzeni, należy więc założyć, żeby antena była jak najbardziej dookólna. Wiadomo też, że w urządzeniu tym będzie bateria i płytka z elektroniką. W badaniach nad doborem anteny będzie więc wykorzystana przykładowa bateria i płytka z elektroniką.,Do badania anteny nadawczej użyto układu bramka LoRa (na bazie płytki ewaluacyjnej B-L072Z-LRWAN1) - płytka nadawcza na bazie transmitera SX1279, pracujące na częstotliwości 868,0 MHz. Płytka nadawcza wysyłała krótkie pakiety co 5 sekund. Bramka LoRa po odebraniu pakietu wyświetlała na swoim wyświetlaczu poziom sygnału, z jakim odebrała pakiet i dodatkowo wysyłała te informacje na interfejs USART. W bramce LoRa zastosowano antenę prostą pionową o długości 85 mm – według obliczeń wynikających z zastosowanej częstotliwości. Odległość nadajnika od odbiornika wynosiła 7 metrów. Oba urządzenia znajdowały się w tym samym pomieszczeniu.,Badania anten polegały na dolutowywaniu do odbiornika danego przypadku anteny o długości większej niż wynikało to z obliczeń i skracaniu jej o takie same odcinki 1,0 mm, rejestrując poziom sygnału widziany przez odbiornik w trzech przypadkach: antena z dala od jakichkolwiek przedmiotów, antena umieszczona blisko wzdłuż baterii, antena umieszczona blisko wzdłuż płytki z elektroniką. Wszystkie anteny były wykonane z drutu typu „srebrzanka” o średnicy 0,7 mm.,Wnioski:,Jak widać najlepsza jest antena prosta i zgodnie z teorią lepsza jest 1/2 długości fali niż 1/4 długości fali. Jednak nie zawsze można ją zastosować – głównie chodzi o gabaryty. Emitowana moc maleje, jeśli w pobliżu pojawiają się duże przedmioty pochłaniające energię elektromagnetyczną, takie jak np. bateria. I decydującym czynnikiem jest tu objętość (a co za tym idzie ilość) czynnika pochłaniającego.,Jako antenę odbiorczą poddano badaniom antenę prostą o początkowej długości 100 mm (ok. 1/4 długości fali). W nadajniku wmontowano antenę o długości z największym uzyskiem, wynikającej z wcześniejszych badań.,Jak widać długość anteny odbiorczej nie ma już tak dużego wpływu na poziom odbieranego sygnału. Ale niestety odbija się to na selektywności, bo antena taka odbiera bardzo dużo sygnałów innych częstotliwości, które interferują z sygnałem głównym oraz innymi niepożądanymi. Dzięki temu sygnał użyteczny mimo, że dość mocny, może być też mocno zaszumiony i przed demodulacją trzeba go poddać selektywnemu filtrowaniu.,

,W tej części przedstawione zostaną wyniki badania jakości poszczególnych anten, polegające na sprawdzeniu zasięgu działania urządzenia, w którym zamontowana została dana antena,Do badania anteny nadawczej użyto układu bramka LoRa (na bazie płytki ewaluacyjnej B-L072Z-LRWAN1) - płytka nadawcza na bazie transmitera SX1279, pracujące na częstotliwości 868,0 MHz. W odbiorniku zastosowano antenę prosty drut „srebrzanka” o długości 85 mm - tak, aby była to antena 1/4 fali dla częstotliwości 868 MHz. Płytka nadawcza wysyłała pakiety testowe (40 bajtów) co 5 sekund. Bramka LoRa po odebraniu prawidłowego pakietu wysyłał go na interfejs komunikacyjny USART z dodatkowymi informacjami: z jakim poziomem sygnału ten pakiet został odebrany oraz jaki czas (w sekundach) upłynął od odebrania poprzedniego pakietu.,Testy przeprowadzono podobnie jak przy sprawdzaniu zasięgu w zależności od częstotliwości i parametrów modulacji: układ odbiorczy znajdował się na otwartym balkonie domku jednorodzinnego na poziomie 1 piętra. Układ nadawczy był przemieszczany (oddalany) na otwartej przestrzeni w linii prostej.,Jak widać z wyników – zgodnie z oczekiwaniami – najlepsza jest antena półfalowa. Anteny ćwierć falowe mają podobne zasięgi, choć widać, że niezgodność polaryzacji anten nadawczej i odbiorczej trochę pogarsza warunki pracy – antena „własnej” roboty wypadła trochę słabiej.,

,Po przeanalizowaniu wyników prac badawczych nasuwają się następujące wnioski:,

,Testy w warunkach rzeczywistych były podobne do testów laboratoryjnych. Tzn. płytka Bezprzewodowej Anteny była zasilona również z zasilacza rejestrującego pobór prądu i codziennie zapisywano zużycie prądu z poprzedniej doby. Zasilacz z rejestracją prądu tak jak poprzednio, to urządzenie OTII firmy QOITECH, podłączone do komputera, na którym działał program zarządzający pracą tego urządzenia.,Dla zapewnienia warunków rzeczywistych stanowisko pomiarowe z urządzeniem BA umieszczono w pomieszczeniu znajdującym się na poddaszu budynku, w którym przeprowadzano testy. Warunki rzeczywiste polegają na tym, że urządzenie Bezprzewodowej Anteny umieszcza się jak najwyżej, żeby zapewnić dobrą komunikację modułu GSM z siecią. Jednak BA nie może być zbyt daleko od nadajnika, żeby była w stanie odbierać pakiety radiowe nadawane przez ten nadajnik.,Natomiast samo urządzenie BA umieszczono w wodoszczelnej obudowie, która w warunkach rzeczywistych ma umożliwić montaż BA w dowolnym miejscu – np. na ścianie wewnątrz budynku, czy na tablicy pod daszkiem na zewnątrz. Obudowa ta po założeniu pokrywki i przykręceniu jej śrubami, zapewnia zabezpieczenie przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi, panującymi na zewnątrz.,Dodatkowymi elementami są tu płytka z mikroswitchem, za pomocą którego wykrywane jest zdarzenie (sabotaż) otwarcia pokrywki oraz zewnętrzna antena radiowa do odbiornika radiowego – jej rola będzie omówiona poniżej.,Najpierw skonfigurowano urządzenie BA, wpisując numer monitorowanego urządzenia nadawczego nie występujący w otoczeniu, aby BA w każdej sesji nasłuchu włączała swój moduł radiowy na maksymalną ilość czasu. Każdego dnia o tej samej godzinie dokonywano odczytu prądu średniego z całej poprzedniej doby. Wyniki zebranych pomiarów są przedstawione w Tabeli nr 47.,Całkowity prąd średni wynosi: 44,7 [uA],Po zakończeniu tego testu przekonfigurowano urządzenie BA, wpisując prawidłowy nr urządzenia nadawczego i umieszczając to urządzenie w piwnicy w studzience wodociągowej z daleka od BA . Okazało się, że odległość pomiędzy nadajnikiem a BA oraz przeszkody w postaci betonowych stropów pomiędzy kondygnacjami spowodowały, że antena radiowa „on board” nie spełnia dobrze swojego zadania. Zamontowano więc na obudowie konektor antenowy i przykręcono antenę z lepszym uzyskiem, co spowodowało, że moduł radiowy BA zaczął ponownie dobrze widzieć pakiety nadawane przez nadajnik.,Pomiary dokonane w czasie testów w warunkach rzeczywistych przy prawidłowym odbieraniu pakietów przez BA przedstawiono w Tabeli nr 48.,Całkowity prąd średni wynosi: 43,8 [uA],Jak widać z tabel 47 i 48 prąd rzeczywisty bez nadajnika to 44,7 [uA] a z nadajnikiem to 43,8 [uA],Działania zostały uznane za dobre ponieważ, prototyp w warunkach rzeczywistych, odbierał informacje z jednego nadajnika w dwóch sesjach na dobę (trwających po 1 [min]), przy średnim poborze prądu mniejszym od 50[uA].,Testy Bezprzewodowego Koncentratora w warunkach rzeczywistych były podobne do testów Bezprzewodowej Anteny w warunkach rzeczywistych. Urządzenie BK było umieszczone w pomieszczeniu na poddaszu i zasilone z zasilacza z rejestracją prądu.,Urządzenie BK zostało wmontowane do obudowy zapewniającej zabezpieczenie przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi. Zamontowano też zewnętrzną antenę do odbioru fal radiowych nadawanych przez nadajniki, w celu poprawy zasięgu. Dodatkowym elementem jest płytka z mikroswitchem, za pomocą którego wykrywane jest zdarzenie (sabotaż) otwarcia pokrywki.,Również w czasie testów Bezprzewodowego Koncentratora w warunkach rzeczywistych, tak jak w pozostałych testach, prace podzielono na 2 etapy. W pierwszym etapie skonfigurowano BK tak, aby nie były odbierane pakiety i tym samym czas sesji nasłuchu radia był maksymalny – wpisano w konfiguracji numery nadajników takie które nie występują w najbliższym otoczeniu. I ponownie raz na dobę o tej samej godzinie dokonywano odczytu prądu średniego. Wyniki tych pomiarów są przedstawione w Tabeli nr 49.,Całkowity prąd

,Testy laboratoryjne polegały na zasileniu płytki Bezprzewodowej Anteny z zasilacza rejestrującego pobór prądu i zapisywaniu codziennie zużycia prądu z poprzedniej doby. Zasilacz z rejestracją prądu to to urządzenie OTII firmy QOITECH, podłączone do komputera, na którym działa program zarządzający pracą tego urządzenia.,Program w postaci graficznej pokazuje aktualną wartość napięcia i pobieranego prądu. Dokładność pomiaru prądu to ±(1% + 0.5 µA), a dokładność pomiaru napięcia to ±(1% + 10 mV). W zakresie prądu ±19 mA częstotliwość próbkowania to 4 ksps, dla zakresu ±2.7 A częstotliwość próbkowania wynosi 1 ksps. Po zarejestrowaniu interesującego okresu, zaznacza się kursorami interesujący czas i program wtedy znajduje prąd minimalny i maksymalny oraz wylicza prąd średni.,Najpierw skonfigurowano urządzenie, wpisując numer monitorowanego urządzenia nadawczego nie występujący w otoczeniu, aby BA w każdej sesji nasłuchu włączała swój moduł radiowy na maksymalną ilość czasu. Każdego dnia o tej samej godzinie dokonywano odczytu prądu średniego z całej poprzedniej doby. Wyniki tych pomiarów są przedstawione w Tabeli nr 43.,Następnie przekonfigurowano BA, wpisując prawidłowy nr urządzenia nadawczego i umieszczając to urządzenie w pobliżu BA. Okazało się, że dla potrzeb tego testu antena radiowa „on board” całkiem dobrze pełni swoje zadanie – moduł radiowy dobrze widział pakiety nadawane przez nadajnik.,Całkowity prąd średni wynosi: 43,7 [uA],Jak widać z tabel 43 i 44 prąd rzeczywisty bez nadajnika to 44,6 [uA] a z nadajnikiem to 43,7 [uA],Działania zostały uznane za dobre ponieważ, prototyp w warunkach laboratoryjnych, odbierał informacje z jednego nadajnika w dwóch sesjach na dobę (trwających po 1 [min]), przy średnim poborze prądu mniejszym od 50[uA].,Tak jak w przypadku Bezprzewodowej Anteny testy Bezprzewodowego koncentratora podzielono na 2 etapy. W pierwszym etapie skonfigurowano BK tak, aby nie były odbierane pakiety i tym samym czas sesji nasłuchu radia był maksymalny. I ponownie raz na dobę o tej samej godzinie dokonywano odczytu prądu średniego. Wyniki tych pomiarów są przedstawione w Tabeli nr 45.,Całkowity prąd średni wynosi: 121,0 [uA],Następnie przekonfigurowano koncentrator tak, aby odbierał pakiety z dziesięciu umieszczonych w pobliżu nadajników.,I ponownie raz na dobę rejestrowano średni prąd dobowy.,Całkowity prąd średni wynosi: 115,7 [uA],Jak widać z tabel 45 i 46 prąd rzeczywisty bez nadajników to 121,0 [uA], a z 10 nadajnikami to 115,7 [uA],Działania zostały uznane za dobre ponieważ, prototyp w warunkach laboratoryjnych, odbierał informacje z 10 nadajników w dwóch sesjach na dobę (trwających po 5 [min]), przy średnim poborze prądu mniejszym od 300 [uA].,Wytworzone urządzenia działają zgodnie z założeniami, czyli pobierają pakiety z danymi z urządzeń NR z odpowiednią mocą sygnału radiowego. Prąd pobierany przez urządzenia BA/BK jest odpowiednio niski do pracy w urządzeniu zasilanym z baterii.,

,Do badania użyto nadajnika, włożonego do metalowego wiadra, żeby uzyskać efekt promieniowania tylko w jednym określonym kierunku. Pomierzono najpierw za pomocą odbiornika moc sygnału w odległości 30 cm od wylotu wiadra. Wartość ta jest wartością odniesienia i to ona jest bazą do liczenia tłumienia różnych materiałów.,Następnie jako pokrywę na wiadro nakładano po kolei różne materiały, których tłumienność miała być zbadana. Próbka materiału była na tyle duża, że całkowicie zakrywała wylot wiadra. Odbiornik był umieszczony w odległości 30 cm od wylotu wiadra.,Najpierw pomiarów dokonano dla urządzeń pracujących na częstotliwości 868 MHz. Następnie zmodyfikowano układ hardware, żeby urządzenia pracowały na częstotliwości 433 MHz i ponownie dokonano pomiarów z tymi samymi próbkami materiałów.,Wnioski:,Dla blachy stalowej prawdopodobnie tłumienie jest tak duże, że odbiornik by nie odebrał żadnego sygnału. Natomiast nie była zapewniona szczelność przylegania blachy do krawędzi i przez szpary przedostawał się sygnał szczątkowy.,

,1) Właściwości fizyczne pasm 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz, 2,4GHz.,2) Opis modulacji stosowanej w transmisji cyfrowej LoRa.,3) Dobór układu nadawczo - odbiorczego.,4) Badanie zasięgu poszczególnych zakresów fal przy tej samej mocy nadawania w otwartej przestrzeni.,5) Badanie podatność na pochłanianie fal w poszczególnych zakresach dla drewna, betonu, żelbetonu, cegły, metalu.,6) Dobór anteny w urządzeniu.,7) Badanie jakości różnych rodzajów anten.,8) Optymalizacja energetyczna.,9) Uzasadnienie wyboru częstotliwości i parametrów modulacji.,10) Wybór chipsetu do modułu radiowego.,11) Dobór najkorzystniejszych parametrów pracy układu SX1276.,12) Opracowanie płytki prototypowej.,13) Testy w warunkach laboratoryjnych.,14) Testy w warunkach rzeczywistych.,15) Wybór chipsetu.,16) Oszacowanie prądów.,17) Opracowanie płytki prototypowej Bezprzewodowej Anteny (BA).,18) Opracowanie płytki prototypowej Bezprzewodowego Koncentratora (BK).,19) Testy w warunkach laboratoryjnych.,20) Testy w warunkach rzeczywistych.,21) Podsumowanie i wnioski.,