Беспроводная вызывная панель дистанционной связи

Аннотация 4
Список сокращений 5
Введение 8
1 Специальная часть 10
1.1 Литературный обзор по теме работы 10
1.2 Актуальность разработки и задание условий эксплуатации 12
1.3 Рассмотрение аналогов 14
1.4 Разработка структурной схемы беспроводной вызывной панели 16
1.5 Выбор элементной базы 17
1.6 Выбор электрической принципиальной схемы 33
1.7 Постановка задачи 36
2 Разработка конструкции системы 37
2.1 Выбор и обоснование метода конструирования 37
2.2 Выбор типа печатной платы 40
2.3 Разработка конструкции печатной платы 42
2.4 Разработка конструкции корпуса 44
2.5 Выбор материалов 48
2.6 Конструкторские расчеты 49
2.6.1 Расчет надежности 49
2.6.2 Расчет потребляемой мощности 52
2.6.3 Исследование теплового режима 54
3 Организационно-экономическая часть 61
3.1 Организация и планирование работ по теме 61
3.2 Расчет стоимости проведения работ 63
Заключение 67
Список используемых источников 68
ПРИЛОЖЕНИЕ А 71

Весь текст будет доступен после покупки

Беспроводная вызывная панель дистанционной связи – это компактное, стационарное устройство, которое необходимо для обеспечения связи и осуществления контроля доступа на какой-либо объект. В качестве объекта выступает жилой дом, частный дом, офис или режимный объект. Главная задача устройства – осуществление сеанса связи между внешним и внутренним модулем. Связь осуществляется при помощи приемо-передающих радиомодулей, установленных во внешнем и внутреннем блоке. Блоки образуют систему. Подобные устройства представлены на рынке много лет, однако, большинство из них обладает существенным недостатком, который будет решен в рамках настоящей работы. Недостатком аналогичных устройств является использование Wi-Fi радиомодуля, который работает на частотах 2,4-5 ГГц. На данных частотах радиоволна чувствительна к помехам и подвержена затуханию при взаимодействии с препятствиями. Преимуществом использования данного диапазона является высокая скорость передачи данных и возможность взаимодействия с большинством портативных устройств, поддерживающих подключение по стандартам IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac. Данная проблема решена путем использования радиомодуля, работающего на более низких частотах. В устройстве снижено потребление энергии, по сравнению с аналогами в следствии использования современной элементной базы, выполненной на основе SMD компонентов и использовании радиомодуля с меньшим потребление энергии.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Специальная часть

1.1 Литературный обзор по теме работы

В настоящей работе разрабатывается беспроводная панель дистанционной связи. Для того чтобы разработать данное устройство необходимо решить основные задачи, связанные с выбором несущей частоты, на которой будут проводиться сеансы радиосвязи. Для выбора несущей частоты необходимо изучить частотный диапазон радиосвязи в РФ. Ключевым требованием при выборе частотного диапазона является возможность беспрепятственной работы в рамках его диапазона.
По требованиям законодательства РФ радиочастоты разделяются на три категории: гражданские, служебные и радиолюбительские. Первые доступны обычным гражданам для частной или корпоративной связи, вторые используются федеральными ведомствами и службами (Минобороны, МЧС, ФСБ, полиция и т. д.), а третьи выделены для связи между радиолюбителями. Закон разрешает использовать без регистрации три диапазона гражданских частот:
1) CB (Citizen Band). Сетка включает 40 (45) каналов, в России можно использовать диапазон 27 МГц. Это стандартный диапазон для автомобильной радиосвязи, в частности, для дальнобойщиков. Допустимая мощность передатчика — до 10 Вт;
2) LPD (Low Power Device). 433,000-434,750 МГц, Сетка 69 каналов. Максимальная мощность передачи — 0,01 Вт;
3) PMR (Private Mobile Radio). 446,000-446,200 МГц, 8 каналов. Мощность передатчика — максимум 0,5 В.
Служебные частоты уже закреплены за различными государственными службами и ведомствами, разрешение для их использования не требуется. Частные лица и компании не могут их использовать [2].
Авторы Е.В. Куцев и М. Оконов в своей научной статье «Распространение ультракоротких волн с учетом рельефа местности» указали на важную проблему радиоволн Wi-Fi диапазона (2,4-5 ГГц) [3]. Авторы провели эксперимент, целью которого было определение величины затухания сигнала в условиях наличия различных препятствий. По условиям эксперимента необходимо было оценить уровень потери сигнала, исходящего от Wi-Fi маршрутизатора. В результате чего полученные данные свидетельствуют о том, что при размещении передатчика и приемника на расстоянии 9 метров уровень потери сигнала не превышает 10%. Но при добавлении преграды (гипсовой стены толщиной 5 см) уровень потери сигнала возрос и составил 15%. При проведении эксперимента с кирпичной и гипсовой стеной, толщина которых в совокупности составляет 40 см, уровень потери сигнала составил 40%. Величина затухания сигнала превысила 30 дБ Эксперимент показал, что препятствия оказывают значительное влияние на распространение радиоволн в диапазоне 2,4-5 ГГц. Поэтому использование данного диапазона в беспроводной панели дистанционной связи не рационально.
Авторы А. Мьинт Эй, А.А. Пронин, А.В. Кондратов в своей научной работе «экспериментальное исследование затухания радиоволн внутри помещений на частоте 433 МГц» провели аналогичное исследование. В эксперименте учувствовал передатчик, работающий на частоте 433 МГц и приемные устройства, расставленные по комнате в различных местах, в зоне прямой видимости и за препятствиями из различных материалов. Уровень мощности передатчика составлял 7,5 дБм. В результате проведенного эксперимента было выявлено, что:
1) Затухание сигнала при распространении вдоль стен во всех случаях больше на 2-3 дБ, чем затухание при распространении радиосигнала вдали от стен;
2) При наличии препятствий в виде стеклянных перегородок с металлическим каркасом наблюдалось дополнительное затухание около 10 дБ.
Эксперимент показал устойчивую работу приемопередатчиков в помещениях с большим количеством препятствий, в том числе кирпичных стен.
По сравнению с 2,4 ГГц на частотах 433 МГц наблюдается меньшее затухание. В следствии чего беспроводная вызывная панель будет осуществлять сеансы связи на частоте 433 МГц, кроме того, данная несущая частота выбрана из-за того, что ее допускается использовать по законодательству РФ [4].

1.2 Актуальность разработки и задание условий эксплуатации

В настоящее время беспроводные вызывные панели используются в различных сферах жизни. В зависимости от исполнения и функционала вызывные панели позволяют обеспечивать контроль доступа в многоквартирные дома, частные дома, офисы или режимные объекты. Вызывные панели, которые обладают камерой позволяют обеспечивать контроль доступа людей на объект. Чтобы попасть внутрь объекта необходимо взаимодействовать с вызывной панелью. Простые вызывные панели позволяют связываться с человеком, который может открыть доступ к объекту. Более защищенные системы позволяют обеспечить доступ только людям обладающим специальными приспособлениями, такими как магнитный ключ или RFID ключ. Данный функционал позволяет минимизировать взаимодействие людей при работе с вызывной панелью.
Для того, чтобы определить необходимость добавления определённых функций в изделие зададим требования к вызывной панели. Разрабатываемое изделие должно использоваться для обеспечения доступа на закрытую территорию. Кроме того, необходимо минимизировать взаимодействие людей при работе с вызывной панелью. Для того чтобы данные требования выполнялись, оснастим разрабатываемую вызывную панель аудио-видео модулем, благодаря которому будет производиться фиксация приходящих людей и устанавливаться голосовая связь. Чтобы минимизировать взаимодействие людей при работе с вызывной панелью, используем систему контроля доступа «свой-чужой», которая позволит пропускать людей на объект при наличии определенного цифрового ключа. Эту возможность реализуем при помощи использования RFID антенны, которая считывает информацию с RFID метки или портативного устройства (смартфона/электронных часов). Для того чтобы обеспечить передачу данных с внешнего блока вызывной панели на внутренний блок используем радиомодуль, который позволит обеспечить беспроводную передачу данных. В настоящее время наибольшее распространение получили вызывные панели, которые используют Wi-fi для передачи данных. Использование данной технологии обладает преимуществами и недостатками. Главным преимуществом является простота настройки устройства, высокая скорость передачи данных и возможность передачи сигнала на любые электронные устройства, подключенные к сети интернет и обладающие необходимым приложением. Однако, недостатком данного решения является ограниченный радиус действия. Это связано с частотным диапазоном Wi-fi радиомодуля. Он составляет: 2,4 ГГц (2412 МГц-2472 МГц), 5 ГГц (5160-5825 МГц) и 6 ГГц (5955-7115 МГц). На данных частотах радиосигнал подвержен затуханию при взаимодействии с препятствиями. Для того чтобы увеличить проникающую способность сигнала в разрабатываемой вызывной панели используется радиомодуль, который работает на частотах ниже 1 ГГц [5].
Разрабатываемую беспроводную вызывную панель актуально использовать для обеспечения контроля доступа в режимных объектах. Ее возможно использовать не только на КПП, но и внутри объекта. Благодаря наличию камеры устройство фиксирует все попытки прохода на объект и передает данные с камеры на сервер предприятия. Использование технологии RFID обеспечивает реализацию различных сценариев доступа на объект.
Разрабатываемое изделие может использоваться в частных загородных домах или офисах с аналогичным функционалом. В данном варианте использования возможно использование любых электронных устройств, поддерживающих технологию NFC. Например, на смартфон с NFC модулем записывается электронный ключ доступа, после чего необходимо приложить смартфон к панели, чтобы предоставить доступ на территорию.
Вызывная панель будет эксплуатироваться на открытом воздухе и в закрытых помещениях. Поэтому необходимо обеспечить защиту от различных климатических воздействий, в том числе от воздействия влаги и низких температур. По классификации ГОСТ 15150-69 [22] вызывная панель относится к группе В-5.1. Предельная рабочая температура +45?, наименьшая рабочая температура -40? [5].

1.3 Рассмотрение аналогов

Рассмотрение аналогов проводится для того чтобы выяснить, какие устройства со схожими характеристиками и функциями представлены на рынке, определить их положительные и отрицательные стороны и провести сравнение с разрабатываемым устройством. Данный анализ необходим, в том числе, для определения необходимости создания устройства. Так как если разрабатываемое устройство будет уступать аналогичным, то его создание не целесообразно. В таблице 1.1 представлены 3 наиболее популярные вызывные панели, доступные для покупки.
Таблица 1.1 – Аналоги
Характеристики HikVision DS-KV6103-PE1 Slinex MA-02 CARCAM DW-810RT
Выходная мощность передатчика, дБм - +4 +9
Наличие защиты от влаги + - +
Тип связи с внутренним модулем Проводная Беспроводная Беспроводная

Продолжение таблицы 1.1
Характеристики HikVision DS-KV6103-PE1 Slinex MA-02 CARCAM DW-810RT
Рабочая частота радиомодуля, Мгц - 2400, 5100 433
Максимальная дальность действия на открытой поверхности, м - 150 300
Наличие RFID антенны - + -
Напряжение питания, В 12 12 12
Размеры, мм. 138 х 85 х 27 150 х 80 х 35 78 х 145 х 26
Масса, гр. 230 290 256
Средняя наработка на отказ, не менее лет 6 7,5 7
Цена, руб. 9093 10500 9800

Аналог HikVision DS-KV6103-PE1 обладает наименьшими масса-габаритными параметрами и меньшей стоимостью среди представленных аналогов. Однако, HikVision DS-KV6103-PE1 передает информацию при помощи проводной связи, что является его главным недостатком. Кроме того, по показателям надежности данная вызывная панель уступает Slinex MA-02 и CARCAM DW-810RT. Преимуществом HikVision DS-KV6103-PE1 является наличие защиты от влаги.
Slinex MA-02 в качестве канала связи использует wi-fi радиомодуль. Что позволяет передавать информацию на внутренний модуль при помощи беспроводной связи. Недостатком данного аналога является радиус действия – до 150м на открытой поверхности и до 50м при наличии преград. В Slinex MA-02 отсутствует защита от влаги. Аналог обладает наибольшими масса-габаритными характеристиками и высокой стоимостью. Однако, Slinex MA-02 выделяется среди аналогов высокими показателями надежности.
CARCAM DW-810RT использует в качестве связи радиомодуль, который работает на частоте 433 МГц, в следствии чего, дальность действия устройства в два раза выше чем у Slinex MA-02. Аналог обладает защитой от влаги и компактными масса-габаритными параметрами.
На основании преимуществ и недостатков аналогов выявим требования к разрабатываемому устройству, при выполнении которых изделие будет выделяться среди них. Разрабатываемая беспроводная панель дистанционной связи должна обладать:
1) лучшими показателями надежности;
2) радиомодулем, который позволит передавать сигналы на внутренний модуль на расстояние более чем 150 метров, с выходной мощностью не менее +9 дБм;
3) возможностью работы с RFID метками;
4) влагозащищенным корпусом;
5) стоимостью сопоставимой с аналогичными устройствами.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Савин А.И., Первов Д.А., Основы радиотехники: — М.: 2015. — 432 с.
2. https://35.rkn.gov.ru// Регистрация радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств. [Сайт] URL: https://35.rkn.gov.ru/directions/p1401/p1407/
3. Куцев Е.В., Оконов М., Распространение ультракоротких волн с учетом рельефа местности., Вестник КРСУ. Технические науки. – 2016. – Номер 1, – 90-93 С.
4. Мьинт А., Пронин А.А., Кондратов А.В., Экспериментальное исследование затухания радиоволн внутри помещений на частоте 433 МГц., М: МИЭТ. Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2007. – Номер 5, – 86-88 С.

Весь текст будет доступен после покупки