Trådlös kommunikation

Transkript

1 HT 2009 Akademin för Innovation, Design och Teknik Trådlös kommunikation Individuell inlämningsuppgift, Produktutveckling 3 1,5 poäng, D-nivå Produkt- och processutveckling Högskoleingenjörsprogrammet Innovation och produktdesign Johan Eriksson Kurskod: KPP039 Examinator: Rolf Lövgren

2 Innehåll INLEDNING... 3 SYFTE OCH MÅL... 3 ELEKTROMAGNETISM... 4 ELEKTROMAGNETISKA VÅGOR... 4 ELEKTROMAGNETISKA SPEKTRUMET... 5 POST OCH TELESTYRELSEN... 5 ANVÄNDNING... 6 TEKNIKEN... 6 RADIOVÅGOR 3 KHZ 300 MHZ... 6 Radio... 6 TV... 6 RFID... 7 MIKROVÅGOR 300 MHZ 300 GHZ... 7 Satellit TV... 7 Mobiltelefoni... 7 Bluetooth... 8 Wlan... 8 INFRARÖTT LJUS CA 300 THZ... 8 Fjärrkontroll... 8 IrDa... 8 PRODUKTUTVECKLING... 9 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER REFERENSER (10)

3 Inledning Elektriska system blir allt vanligare på grund av möjligheterna och de många fördelar de har. Nackdelen med dessa är dock att de ofta förlitar sig på kablage som kan vara helt onödiga. Att istället kommunicera trådlöst ger möjlighet till nya användningsområden som bättre kan uppfylla kundernas behov. Syfte och mål I kursens projektarbete behandlas en produkt som kan ha fördelar av att kommunicera trådlöst. För att undersöka denna möjlighet fördjupar jag mig inom trådlös kommunikation och på så sätt samtidigt erhålla kunskaper som kan vara värdefulla för i arbetet med produktutveckling. 3(10)

4 Elektromagnetism Elektromagnetiska vågor Trådlös överföringen syns inte men sker med elektromagnetiska vågor som går igenom luften. När en atom utsätts för energi i form av bland annat ljus hoppar en elektron ut bland elektronskalen till en högre energinivå. För att bli av med den extra energin hoppar elektronen in igen och energin avges i form av en foton. Fotonen är bäraren av den elektromagnetiska växelverkan och beskrivs ofta som ljusets elementärpartikel. Men ljus är egentligen bara en av flera former av elektromagnetisk strålning. Atom, energi avges i form av foton James Clerk Maxwell är känd för sina lagar inom elektromagnetismen. Han kom bland annat fram till att alla elektromagnetiska vågor består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som oscillerar vinkelrätt mot varandra och breder ut sig med ljusets hastighet. Detta har sedan bekräftats av Heinrich Hertz som gett namn åt enheten hertz för frekvensen vilket energin i vågen är relaterad till. På grund av att alla elektromagnetiska vågor har samma utbredningshastighet är också våglängd direkt relaterad till energin, fast omvänd. Det gör att vågor med låg frekvens och lång vågländ har mindre energi än de med hög frekvens och kort våglängd. Elektromagnetisk våg 4(10)

5 Elektromagnetiska spektrumet Beroende på frekvens kan man dela upp de elektromagnetiska vågorna i det elektromagnetiska spektrumet. Där hittar vi radiovågor, mikrovågor, infrarött ljus, synligt ljus, ultraviolett ljus, röntgen och gammastrålning. För trådlös kommunikation används de tre förstnämnda då ljuset störst ut så mycket, då vi inte kan se genom de flesta saker. Där efter blir energinivån högre och farligare vilket vi inte vill utsätta människor för i allt för stor utsträckning. Elektromagnetiska spektrumet Post och telestyrelsen I Sverige regleras all elektronisk kommunikation av Post och Telestyrelsen. Det elektromagnetiska spektrumet är indelat i områden där de olika teknikerna får användas. Detta är för att man inte ska störa varandra. Långa sändningar över stora markområden som kan påverka många är hårdast reglerad medan för kommunikation över korta distanser under ca 100 m tillåts mer användning av samma frekvenser. 5(10)

6 Användning Tekniken Trådlös överföring sker huvudsakligen med en sändare och en mottagare. Sändaren förses med elektrisk ström och genererar elektriska oscilleringar till en viss frekvens. Informationen som ska överföras konverteras till olika spänningar beroende på dess intensitet. Vågen moduleras efter spänningen genom att variera amplituden eller frekvensen och skickas till en antenn. Runt antennen uppstår ett magnetfält som kombineras med den elektriska vågen och sänds ut. Mottagaren fungera på liknande sätt som sändaren men i motsatt riktning. Modulering av våg Radiovågor 3 khz 300 MHz Radiovågor är de mest lågfrekventa elektromagnetiska vågor och har en vågländ mellan 100 km och 1 m. På grund av den långa våglängden kan man enkelt skicka de långt utan att de störs ut. Används för radio, TV, RFID mm. Radio Radiokommunikation var den första teknikerna för att överföra ljud med elektromagnetiska vågor och kan säga har sitt ursprung från telegrafen som skickade störningar i form av pip. När man överför ljud i en radiokommunikation använder man en mikrofon som analogt konverterar ljudets intensitet till varierande spänningar och en högtalare i mottagaren som konverterar tillbaka dem. Våglängden är relaterad till antennens längd och för att skapa de mest lågfrekventa vågorna behöver man ha långa antenner ofta i form av hela master. TV Markbundna TV sändningar använder sig också av radiovågor men endast av de högre frekvenserna. Man utnyttja flera närliggande frekvenser för att skicka ljud och bild på samma gång. Digitaliseringen av det TV nätet har inneburit att man tillät mer utrymme per kanal för att få den högre kvaliteten. Detta resulterade i att frekvensområdet blev fullt tidigare och man nu har ett mindre kanalutbud. För att ta emot TV sändningar krävs mer avancerad utrustning än för radiokommunikation. 6(10)

7 RFID RFID är en annorlunda användning av elektromagnetiska vågor. Man utsätter små kretsar kallade taggar för radiovågor tills de får en spänning och skickar tillbaka en våg av en enskild frekvens. I mottagaren översätts frekvensen till ett nummer som bara den taggen har. Taggarna och frekvensanvändningen varierar beroende avståndet. För korta avstånd under 5 dm räcker energin i från radiovågor medan för avläsning upp till 10m används de mer energirika mikrovågorna. Mikrovågor 300 MHz 300 GHz Mikrovågor har högre frekvens än radiovågor vilket innebär att de innehåller mer energi och har en vågländ mellan 1 m och 1 mm. Föra att sända vågorna långt måste de koncentreras med mer avancerad utrustning. Används för satellit TV, mobiltelefoni, (mobilt bredband), bluetooth, trådlösa nätverk mm. Satellit TV Att ta emot TV via parabol har länge varit populärt för att man kunna fått in så många kanaler. Detta för att man haft mer utrymme i det här frekvensområdet än för vanlig TV. För att kunna ta emot signalen som kommer från satelliterna krävs en välriktad parabol som fångar in den koncentrerade vågorna och förstärker dem innan de skickas till TV:n. En nackdel i vissa fall är att signalen försenas ca 0,5 5 sekunder vilket inte gör tekniken så populär för direktsänd tvåvägskommunikation. Mobiltelefoni Mobiltelefoner använder sig av mikrovågor för att både ringa och skicka data. Antennen behöver för dessa korta vågor inte vara så stor utan kan monteras i mobiltelefonen. Men när man använder högre frekvens kortas räckvidden och man behöver flera basstationer som kopplar ihop en överföring. Detta gör inte så mycket i städer eftersom varje basstation bara har ett maximalt antal kopplingspunkter. När data skickas i form av sms eller internetsidor använder man sig av en digital konvertering där vågorna moduleras efter att betyda ettor och noll. Detta ger en högre kvalité på det som skickas men kommer också kräva mer frekvensutrymme. Tekniken har förbättrats ständigt så att man nu kan uppnå samma hastigheter som för fast bredband i storstäderna. Därför har mobilt bredband blivit mycket populärt då man enkelt kan surfa på samma nät som mobiltelefonin. 7(10)

8 Bluetooth Används för trådlös överföring på korta avstånd mellan datorer, mobiltelefoner och annan elektronisk utrustning. Man använder en frekvens på 2,45 GHz som tidigare varit fri i alla länder och går därför att använda över hela jorden. Styrkan hos tekniken är att man använder en så bra kryptering som inte påverkas av andra elektromagnetiska störningar. Tekniken utvecklas efter hand men har idag en hastighet som en vanlig internetuppkoppling. Det kan jämföras med att överföring med sladd som kan ske 100 gånger snabbare. Räckvidden är begränsad till max 100 m men beroende på strömtillgången i handhållen utrustning används oftast begränsningen 5 10 m. Wlan Trådlösa lokala nätverk har länge används för att koppla ihop datorer trådlöst med tekniken IEEE till en central accesspunkt i form av en switch/router. Hastigheten är den samma som för uppkoppling med vanlig ethernetkabel. I produkterna monteras ett chip som är tillräckligt litet och strömsnålt för mobiltelefoner mm. Räckvidden är ca 100m men man kan koppla ihop flera accesspunkter för ett större nätverk. Infrarött ljus THz Infrarött ljus har högre frekvens än radiovågor och mikrovågor vilket innebär att de innehåller ännu mer energi. Vågländ är ca 100 µm vilket är precis utanföra vad våra ögon kan uppfatta. Infrarött ljus har samma egenskaper som vanligt ljus vilket betyder att det inte kan gå genom föremål och att det störs av annat ljus. Används bland annat hos fjärrkontroller och IrDa, dvs. optisk dataöverföring mellan elektroniska produkter. Fjärrkontroll Infrarött ljus vanligaste användningen är fjärrkontrollen för att styra elektriska produkter. När man trycker på en knapp sänder fjärrkontrollen ut infrarött ljus i en koncentrerad stråle av en viss frekvens. Mottagaren tolkar sedan vågen och utför det givna kommandot. Används främst för sin billiga teknik och för att man inte kan störa andra med den. IrDa Infraröd dataöverföring har tidigare använts mycket för att kommunicera mellan elektroniska produkter. IrDA har en bra hastighet motsvarande bluetooths men har problemet med att man måste ha sändaren och mottagaren riktade så precist mot varandra och inom ett så kort avstånd. 8(10)

9 Produktutveckling Vid utveckling av nya produkter som ska kommunicera trådlöst är det viktigast att veta vilka krav man har. Från befintliga produkter ser man sedan lättast möjligheterna med teknikerna och vad som skulle kunna passa även denna produkt. Tekniken utvecklas fortfarande starkt men det kan behövas nya smarta tillämpningar för att skapa en lyckad produkt. Nedan presenteras de vanligaste utgångspunkterna och vad man kan göra för att lösa dem. Avstånd För att sända information långt är det lättast att använda radiovågor. För att sända kortare våglängder långt behövs flera stationer som tar emot vågen och skickar den vidare eller så måste vågen koncentreras och riktas. Datamängd För att skicka stora datamängder används mikrovågor på grund av att det finns mest utrymme i det frekvensområdet. Hur informationen paketeras, digitalt eller analogt har stor betydelse över utrymmet som behövs. Störningar Störningarna är störst hos optiska överföringar som stoppas av allt som vi inte kan se igenom. De korta våglängderna har svårare att gå igenom väggar men är mycket beroende på styrkan av signalen. Moln och dåligt väder kan störa ut de kortaste mikrovågorna på grund av absorption i regndropparna. Utrustningsstorlek Mottagaren och sändaren brukar oftast kunna göras så små att de får plats i små elektriska produkter som mobiltelefoner. Problemet är istället antennlängden som krävs för de lägre radiovågorna. Detta löses lättast med en extern antenn så som en handsfri. Energi För att förstärka vågen går det åt energi därför är tekniker för korta avstånd vanligtvis strömsnålast. Energin i vågen blir högre i de högfrekventa teknikerna. Därför finns det diskussioner angående om mobiltelefoni är skadligt eller inte. Ekonomi Priset på delarna är starkt styrt av vilken mängd som ska produceras. Det blir billigare att utnyttja de befintliga teknikerna än att utveckla en helt ny. Utrustning för långa överföringar kan generellt antas vara dyrare än för kortare avstånd, med undantaget radio. Nu är det oftast så att man inte bara använder en teknik vid trådlös överföring. Näten är sammankopplade med vanliga kabelnät och med varandra. Standarder i paketering av informationen och en väl uppbyggd telestruktur gör det möjligt att få fram informationen var som helst över hela jorden utan att du vet vilka tekniker som och vilken väg den tar. 9(10)

10 Slutsatser och rekommendationer Trådlös kommunikation har blivit en del av vår vardag och mer och mer produkter ansluter sig för att kommunicera mer varandra. Teknikerna är inte längre begränsade till vissa frekvenser utan man byter nät för att t.ex. kunna se TV i mobilen. Teknikerna utvecklas fortfarande ständigt och de är mycket för omfattande och avancerade för att förstå sig på till fullo. Dock tror jag att jag kunnat redovisa stommarna för teknikerna och skillnaderna mellan dem. Detta arbete har givit mig mycket användbar kunskap för att kunna tillämpa fördelar med trådlös kommunikation i nya produkter. Vad gällande kursens projekt tror jag man skulle kunna ha mycket nytta av RFID på grund av att man då inte behöver någon strömtillförsel till de tryckströmställare som registrerar artiklars lagernivå. För att undersöka möjligheten närmare behövs noggrannare uppgifter om avläsaren och hur många taggar som skulle kunna läsas av samtidigt i den situationen de är placerade i. Att sedan avläsaren är uppkopplad till ett wlan och till truckarna ser jag som den största möjliga förbättringen men också den enklaste för ett arbete med ständig kontroll av materialhållningen. Referenser Microsoft Encarta Uppslagsverk 2009 (electromagnetic radiation) Post och Telestyrelsen (december 2009) Nationalencyklopedin str%c3%a5lning (december 2009) (december 2009) 10(10)