При проектировании систем управления освещением на основе беспроводной связи важная задача — выбор оборудования и его правильное расположение для устойчивой связи между устройствами. Одним из наиболее эффективных решений для обеспечения гарантированной связи является использование ретрансляции беспроводного сигнала. В данной статье будут рассмотрены принципы работы ретрансляции, условия, при которых она необходима для работы диммеров и панелей управления RF 2.4 ГГц, приведены примеры и рекомендации.
1. Затухание RF-сигнала в жилых помещениях
Необходимо понимать, что любой радиочастотный сигнал на открытом пространстве затухает по мере его распространения. Ослабление сигнала будет прямо пропорционально величине (дБ):
~20lg(𝐿𝜆),
где L — расстояние между приемником и передатчиком на открытом пространстве, а λ — длина электромагнитной волны.
(Для частоты 2.4 ГГц длина электромагнитной волны составляет 12.5 см. Это означает, что сигнал будет ослабляться в 10 раз на расстоянии 1.25 м и в 100 раз — на расстоянии 12.5 м открытого пространства.)
Прежде чем перейти к вопросу затухания сигнала в закрытых помещениях, необходимо определиться с параметром «просвет». Под просветом мы будем понимать минимальное расстояние между линией визирования приемника-передатчика и торцом перегородки (стены). В данном случае мы будем рассматривать в качестве приемника диммер RF 2.4 ГГц, в качестве передатчика — панель управления RF 2.4 ГГц.
Рис. 1. Расположение RF-диммеров с положительными и отрицательными просветами
Очевидно, что при отрицательном просвете на затухание сигнала будет влиять материал перегородок, что внесет дополнительный коэффициент ослабления и значительно снизит эффективное расстояние устойчивой связи Lэф = kL, где k — коэффициент ослабления, L — расстояние устойчивой связи на открытом пространстве.
Приведем приблизительные оценки изменения эффективного расстояния устойчивой связи. Разумеется, затухание сигнала варьируется в зависимости от толщины перегородок, степени армирования, наличия примесей, влажности и т. д., но рисунок ниже дает наглядное качественное представление.
Рис. 2. Затухание RF-сигнала 2.4 ГГц для перегородок из разного материала
Расстояние устойчивой связи L на открытом пространстве для диммеров RF 2.4 ГГц обычно составляет 20 м (максимальное расстояние возможной связи — 30 м).
Как видно из рис. 2, только для материала из дерева возможна устойчивая связь через 2 перегородки. Эффективное расстояние устойчивой связи с двумя перегородками составит от 6.5 до 10 м (максимальное расстояние — от 9 до 15 м).
Кирпичная кладка полностью исключает связь при прохождении сигнала через две перегородки. Связь через армированную бетонную стену крайне затруднена, разве что при непосредственной близости RF-диммера и панели управления.
Необходимо также учитывать, что затухание зависит не только от материала перегородок, но и от пересечения линий визирования с перегородками.
Рис. 3. Для RF-диммера А сигнал от панели управления ослаблен в меньшей степени, чем для RF-диммера Б. RF-диммер Б находится в «мертвой зоне», сигнал до него практически не доходит
Разумеется, это представление основывается на геометрической оптике и не учитывает волновых свойств сигнала, но это достаточно хорошее приближение, которое позволяет оценить коэффициент затухания сигнала в перегородке.
Так как в жилых помещениях сигнал сильно ослабляется из-за перегородок, RF-диммеры Arlight имеют функцию ретрансляции сигнала.
2. Ретрансляция сигнала: условия применения
Ретрансляцией называют повторную передачу принятого сигнала. Ретранслятор принимает ослабленный сигнал и транслирует его с заранее предустановленной мощностью. Работу беспроводной системы управления освещением с функцией ретранслирования можно описать следующим образом:
Ближний RF-диммер принимает ослабленный сигнал от панели управления и передает его повторно приблизительно с такой же мощностью, с какой панель управления посылает сигнал.
Дальний RF-диммер не может принять сигнал от панели управления из-за сильного ослабления, но может принять сигнал от ближнего RF-диммера.
Таким образом панель управления сможет управлять и ближним, и дальним RF-диммером.
Рис. 4. Ретрансляция сигнала RF-диммерами
Исходя из вышенаписанного, ретрансляция необходима, если хоть одно расстояние между панелью управления и RF-диммером больше эффективного расстояния устойчивой связи.
3. Примеры построения беспроводной системы управления освещением RF 2.4 ГГц
Рассмотрим пример построения беспроводной системы управления освещением на основе RF-диммеров и мультизонной панели управления RF 2.4 ГГц с разделением на 4 зоны.
Рис. 5. Пример построения 4-зонной беспроводной системы управления освещением на основе RF 2.4 ГГц с функцией ретрансляции сигнала
Рассмотрим, в каких зонах необходима ретрансляция, а в каких зонах она не нужна.
Зона A. Оба RF-диммера имеют положительный просвет, сигнал от панели управления они получат беспрепятственно, поэтому ретрансляция сигнала не нужна.
Зона Б. Только RF-диммер Б1 получит сигнал от панели управления беспрепятственно, для RF-диммера Б2 линия визирования проходит под большим углом к перегородке, что вызовет очень большое затухание сигнала, поэтому устойчивый сигнал он может получить только от RF-диммера Б1. Ретрансляция необходима.
Зона В. RF-диммер B2 имеет положительный просвет и получит сигнал беспрепятственно, RF-диммер B1 имеет отрицательный просвет, но расположение диммера позволяет допустить, что эффективное расстояние устойчивой связи будет больше длины линии визирования, поэтому ретрансляция не нужна.
Зона Г. Оба RF-диммера имеют отрицательный просвет, однако расположение RF-диммера Г1 позволяет допустить, что эффективное расстояние устойчивой связи будет больше длины линии визирования и он получит сигнал от панели управления, но в случае RF-диммера Г2 получение сигнала находится под большим вопросом, его линия визирования пересекает сразу 2 перегородки, поэтому устойчивый сигнал он может получить только от RF-диммера Г1. Ретрансляция необходима.
В случае, когда на одну зону необходим только один RF-диммер, а расстояния между устройствами большие и могут быть сравнимы с эффективной длиной устойчивой связи, то рекомендуется использовать усилитель RF-сигнала.
Рис. 6. Использование усилителя RF 2.4 ГГц
Как видно из рис. 6, наибольшие проблемы с уровнем сигнала будет испытывать RF-диммер Г1. Сигнал от панели управления будет слишком слаб, а ретрансляция от RF-диммера В1 может не помочь из-за значительного расстояния между ними, поэтому желательно в зоне Г установить усилитель RF 2.4 ГГц — его сигнал обеспечит устойчивую связь с RF-диммером Г1.
4. Рекомендации
При отрицательном просвете старайтесь уменьшить его абсолютное значение. Лучше всего, если просвет будет положительным. Отрицательный просвет [–0,3 м] даст гораздо меньшее затухание сигнала, чем просвет [–1 м], из-за дифракции RF-сигнала.
При отрицательном просвете располагайте RF-диммеры таким образом, чтобы на линии визирования коэффициент затухания был как можно меньше (см. рис. 3).
Оцените эффективное расстояние устойчивой связи, расстояние между RF-диммерами с ретрансляцией не должно превышать ее.
Не располагайте RF-диммеры в непосредственной близости от Wi-Fi-роутеров.
Категорически запрещается располагать RF-диммеры за металлическими конструкциями, аквариумами или любыми емкостями с водой. Вода очень эффективно поглощает сигнал RF 2.4 ГГц и является непроницаемым экраном.
5. Вопросы и ответы
Вопрос. Если RF-диммер привязан к зоне А, будет ли он ретранслировать сигнал, который предназначен для зоны Б?
Ответ. Да, будет.
Вопрос. Как привязывать RF-диммеры к пульту управления с функцией ретрансляции сигнала?
Ответ. Привязку необходимо осуществлять от ближнего RF-диммера к дальнему. То есть сначала привязывается ближний к пульту управления RF-диммер, затем RF-диммер с большим расстоянием и т. д.
Вопрос. Можно ли привязать RF-диммер к зоне Б, используя ретрансляцию от RF-диммера зоны A?
Ответ. Да, можно.
Вопрос. Нужно ли для примера на рис. 5 покупать разные диммеры, с функцией ретрансляции и без нее?
Ответ. Нет необходимости, целесообразнее всего приобрести все диммеры с функцией ретрансляции сигнала.
Вопрос. Можно ли в примере на рис. 6 использовать диммер с ретрансляцией вместо усилителя?
Ответ. Можно, но обычно диммер стоит дороже усилителя — поставить усилитель выгоднее.
Вопрос. Почему не учтены отражения сигнала RF 2.4 ГГц от перегородок (стен)?
Ответ. Отражение сигнала RF 2.4 ГГц от материалов, применяемых в жилых помещениях, крайне незначительно, поэтому в рассмотрение не принималось.
Вопрос. Применимы ли приведенные оценки для Wi-Fi- и Bluetooth-сигналов?
Ответ. Да применимы, но нужно изменить максимальное расстояние связи. Например, Wi-Fi-роутеры обычно мощнее RF-пультов и диммеров, и расстояние устойчивой связи на открытом пространстве будет много больше. Оценки эффективной длины устойчивой связи и рекомендации по применению оборудованию остаются теми же.