В настоящее время мировая промышленность выпускает широкий перечень изделий работающих в диапазоне 2..5ггц предназначенных для связи. Как говорят экономисты – цена вопроса снизилась.

В данной работе используются дешевые и выпускаемые массово изделия для связи в стандарте WI-FI подключаемые к USB шине компьютера. Из этих изделий создадим систему измерения степени поглощения-отражения электромагнитных волн.

Выбран для использования адаптер usb tenda w311u+

Cайт производителя http://www.tenda.ru/product/32/25 Купить адаптеры в магазинах Новосибирска (ссылка). Используется ИМС Ratlink RT3070L, видно код на фото.

Адаптер имеет съемную антенну, что позволяет подключать к различным измерительным приборам и анализаторам.

Диапазон адаптера WI-FI в стандарте 802.11n

2400-2483,5 мгц. 5150-5350 мгц 5650-6425 мгц

В системе связи wi-fi используется многоканальная передача. В измерительной системе работает только один канал №14 .

Питание адаптера от USB-порта. Необходимо учитывать, что адаптер энергоемкое изделие и использует полностью максимальную токовую нагрузку USB-порта.

Информационная нагрузка для системы измерения соответствует стандарту USB-2.

Программное обеспечение подготовлено под windows7 с использованием стандартных библиотек msdn.microsoft.com wilan.dll (описание)

Литература и методы измерения с использованием электромагнитных волн диапазона СВЧ известны давно.

Ниже ссылки для скачивания примеров некоторых книг по теме ( кликнуть на фото).

Рассмотрим вариант системы измерения на 2-а адптера WI-FI

структурная схема представлена на рисунке ниже.

Два адаптера образуют канал связи WI-FI. Уровень сигнала (аббревиатура RSSI) принимаемый первым или вторым адаптером зависит в основном от среды распространения.
Для ослабления влияния внешних отражений требуется использование направленных антенн. На рисунке схематично показаны спиральные антенны.
Графики уровня RSSI, получаемые при данной схеме измерения, представлены ниже на рисунке

Представленная схема измерения позволяет наглядно определить уровень ослабления СВЧ сигнала. Данные отображаются в относительных единицах – дбм – децибел на милливатт.(таблица)

Отображение в относительных единицах позволяет сопоставлять показания уровня RSSI с размером исследуемого объекта простым сложением.

Передача сигнала и прием сигнала адаптерами в режиме установленной связи выполняется по протоколу wi-fi. Описание протокола посмотреть по ссылка1 , сслыка2 , ссылка3. Для предлагаемой системы измерения важное условие:

- передача сигнала на одной частоте. Она выполняется с помощью конфигуратора адаптера, который настраивается для работы только на один выделенный частотный канал.

- поочередная и синхронная передача и прием осуществляется по принципу протокола wi-fi и изменить ее нельзя. Т.е. если один адаптер передает, то приемник выключен. Включить сразу и прием и передачу не получится. Ниже структурная схема wi-fi адаптера на микросхеме Ratlink RT3070L. Методика измерения мощности RT3070L по ссылке.

По блочной схеме видно, что адаптер может работать или только на прием или только на передачу.

Рассмотрим вариант системы измерения на 3-и адаптера WI-FI

структурная схема представлена на рисунке ниже

1-ый и 2-ой адаптер располагаются неподвижно. А 3-ий адаптер перемещаем по круговой траектории от 1-го ко 2-му. При такой схеме измерения, графики уровня RSSI 3-х адаптеров зависят об большого количества факторов:

- место расположения 3-го адаптера.

- свойства и форма исследуемого материала. Поглощает или отражает радиоволны. Объемный или плоский материал.

Покажем графики от 3-х адаптеров для крайне-идеального случая исследования:

- материал плоский лист, покрытый металлом. Например, квадратный лист фольгированного гетинакса. Размер по площади в 10 раз больше длинны волны сигнала. Т.е. f=2 477мгц ,

L=300 000 000 (км/cек) / 2477 (МГц) = 121мм – длинна волны и 121мм *10 = 1.2м. Таким образом размер листа должен быть более 1.2метра.

- лист расположен по средине между 1-ым и 2-ым адаптером и перекрывает канал связи wi-fi.

- адаптеры расположены на расстоянии не мене 10*L и не более 20*L. Т.е. 1.2м..2.4м в Это требуется для формирования дальней зоны излучения.

- угол направленности излучения не более 45*.

Для анализа таких сложных графиков удобнее использовать их вероятностное распределение в виде гистограммы. Принцип показан на рисунке ниже три варианта графиков и их гистограммы, применительно к системе измерения на wi-fi.
По гистограммам можно получить функцию плотности распределения. Для этого надо построить огибающую линию по верху квадратика гистограммы.

По графикам увидеть изменение сложно. А по распределению гистограммы значительно проще. Как бы меняется «профиль», что визуально сразу же фиксируется.

Рассмотрим вариант измерения для 8-ми адаптеров расположенных в плоскости и в объеме.

Для детального анализа поглощения-отражения вещества в ЭМП можно использовать 8-мь адаптеров и расположить их по окружности. А исследуемый объект поместить в центр. В этом случае фактор формы объекта измерять достаточно просто. Ниже рисунок на 8-мь адаптеров и объект полусферической формы.

Конечно же, правильнее располагать адаптеры не в плоскости, а в объеме . Например, по областям шара или его усеченной версии - октаэдра. Ниже шар и октаэдр. Но в этом случае снижается точность измерений. И возникает задача «подвесить» объект в воздухе. Или убрать влияние опоры.

Варианты установки адаптеров в объеме определяются из геометрического представления измерительной схемы. Некоторые объемные фигуры ниже на рисунке.

Предварительно надо оценить объект измерений. Форму и его вес. И под эту задачу формировать расположение адаптеров в объеме. Анализ в начале можно провести на бумаге. Ссылка на сайт моделирования объемов на бумаге. И уж потом, все расставлять в «железе».
Современные USB порты позволяют подключать, не 8 адаптеров, а значительно больше (хоть 128 и даже 1028). Расчет количества адаптеров, возможных для подключения к компьютеру проводиться:

- из оценки информационной нагрузки на шине и возможности используемого компьютера;

- из затрат на электрическое питание устройств, расположенных на шине USB;

Используются расширители USB c внешним питанием. Ниже фото некоторых образцов. Для открытия ссылки производителя надо кликнуть на фото.

Для стационарных компьютеров используются плат PCI

Антенна для системы измерения

Выбор антенны для данной системы определялся следующими условиями:

· диаграмма направленности и коэффициент усиления должен быть приемлемый для задачи измерения. Обратные и боковые лепестки диаграммы не должны влиять на измерение.

· измерения проводятся в дальней зоне (ссылка на понятие и тут )

· минимальная стоимость изготовления;

· условия эксплуатации в обычных условиях офисного здания. В помещении +15..+25 гр.Ц. без защиты от влаги и ветровых нагрузок.

Принято решение использовать спиральную антенну облегченной конструкции.

· Расчет антенны проводился по книге Ротхамеля К. 254 стр. Раздел. Спиральные антенны.(скачать)

· Для уточнения и проверки расчетов использовалась книга Юрцева А. Спиральные антенны, Советское радио 1974г. (скачать)

Подробное теоретическое описание спиральных антенн приведено в книге Айзенберга Г.З. 1977г. том гл.9 стр.221 (скачать том1 том2)

· Некоторые материалы по спиральным антеннам почитать по ссылкам: ссылка1 , ссылка2, ссылка3.

Расчетные данные предлагаемой антенны приведены ниже на рисунке

Данные округленны в сторону 14 канала диапазона wi-fi, частота 2477 мгц, длинна волны 121мм.

Последовательность изготовления

В качестве несущей опоры спирали используется пористая полипропиленовая (ПП) теплоизолирующая труба. Размер сечения 15/13. Стенка 15мм, внутренний диаметр 13мм. Итого 15*2+13=43 миллиметра, это внешний диаметр опоры спирали. В продажу поступает длинной 1метр. Отрезаем ножом участок по количеству витков, умноженному на шаг. Количество витков N=10, шаг = 26мм . Итого 260 миллиметров.

Полученную заготовку надо разметить по точками фломастера для последующей укладки спирали. Интервал между точками 26 миллиметров. Смотри фото ниже.

Для изготовления отражателя удобно использовать пищевые консервные банки. Например, из под зеленого горошка. Содержимое уничтожается естественным способом, т.е. съедается. Верхняя и нижняя стенка банки используется для изготовления отражателя.

Внимание! Для изготовления отражателей необходимо использовать только луженные консервные банки. Т.е. для дальнейшей пайки к цепям излучателя.

На фото ниже показан пример такой банки и чем ее открывать. Рядом фото возможных используемых банок.

Крепление всех элементов направленной антенны осуществляется клеевым пистолетом.

Ниже фото таких "пистолетов".

Используемый адаптер tenda w311u+ комплектуется штыревой антенной с круговой диаграммой направленности. Эта антенна разбирается и используется в конструкции.

- в начале разбирается шарнирное соединение антенны. Монтажными кусачками аккуратно разламывается шарнир.

-аккуратно разбирается штыревая антенна. На фото показано внутренняя конструкция антенны:

- в отражателе пробивается отверстие под диаметр резьбового соединения. Но меньше общего диаметра. Отражатель должен зажиматься между адаптером и переходником антенны.

- отпаять или отрезать кусачками коаксиальный малогабаритный провод и зачистить его концы. Приклеить клеевым пистолетом к отражателю. Припаять оболочку кабеля к экрану. Показано на фото. После приклеивания адаптер должен легко откручиваться и сниматься с конструкции разъем+отражатель.

- припаивается провод спиральной антенны. Длинна провода выбирается из расчета количества витков. Для N=10 и диаметра витка 43миллиметра общая длинна спирали около 1.33 метра. 43мм*3.14*10= 1333 миллиметра. Тип провода медный, в лаковой изоляции, диаметр 0.43..0.8мм

- провод прокалывается через оболочку. Внешняя оснастка - труба ПП одевается на разъем.

- труба ПП заклеивается клеевым пистолетом по окружности.

- наматываем спираль по поверхности ПП трубы с шагом отмеченных точек.

Закрепляем витки каплями клея клеевого пистолета.

- Конструкция легкая по весу и вкручивается в резьбовое соединение usb-адаптера

Вариант крепления направленной антенны из ПВХ трубы.

Защитный корпус и крепление адаптера с направленной антенной изготавливается из поливинилхлоридных (ПВХ) труб и заглушек водопроводно-канализационных систем. Используется диаметр 50миллиметров. См фото ниже.

В изготовление отражателя добавляется и крепежные отверстия для заглушки. Через отверстия винтами крепится сэндвич = отражатель+заглушка. На заглушку одевается корпус трубы.

Изготовление начинается с центрирования по центральному отверстию отражателя. Далее, закрепляется 3-мя винтовыми соединениями М3 с отражателем. Размечается отверстие под размер адаптера.

- Отверстие в заглушке выбирается такое, что бы адаптер легко закручивался.

- после центрирования можно заклеить клеевым пистолетом подготовленный разъем направленной антенны. Во 2-ой заглушке выбирается отверстие под разъем USB и фиксируется клеевым пистолетом.

- Все составные элементы корпуса собираются. Внутри ПВХ трубы имеются резиновые уплотнители на которых и держаться заглушки с направленной антенной. Переходной кабель USB включен внутри трубы в адаптер. Сверху одевается хомут для последующего крепления к штативам.

- для крепления за ПВХ трубу можно использовать и клеевой пистолет. Приклеить к корпусу другие варианты шарниров. Можно не использовать вторую заглушку, а сразу подключать USB-адаптер. Выходной кабель USB в этом случае "хвостом" будет свисать с антенны. Его крепим внутренней заглушкой из пористого пенопласта. Фото ниже.

- на фото ниже место установки для проведение измерений на поглощение. А полиэтиленовая бутылка с водой - это объект для измерений. Видео установки на 3-и адаптера скачать.

Настройка_адаптера usb-wi-fi для системы измерения

Адаптеры wi-fi производства tenda комплектуются драйвером и программой конфигуратор (скачать версия с установкой, версия без установки , версия поставляемая при покупке на СД ). Конфигуратор позволяет настроить устройство на один канал приема-передачи. Скачайте и установите программное обеспечение на компьютере. В свободном доступе имеется обучающий медиа файл по настройке конфигуратора ТЕNDA (ссылка)

Настройка адаптера на одну частоту работы

Открываем конфигуратор адаптеров. Выбираем их из выпадающего списка меню. Строка – понятное имя. В строке будет столько строк, сколько адаптеров подключено в USB шину компьютера. Внимание! Если адаптеров нет - то данное меню не работает!

В каждом адаптере устанавливаем частоту 14 канала 2477 мгц. Выделено цветом ниже на рисунке.

После установки частоты нажать "применить" и выйти из программы .

Затем повторить для следующего адаптера и таким образом настроить все адаптеры на одну частоту.

Настройка сетевых имен

Выбрать клавишу 1 – открыть Центр управления сетями и общим доступом. И открыть управление беспроводными сетями. Выделено цветом ниже на рисунке.

Выбрать адаптер WI-FI и создать соединение компьютер-компьютер

- откроется окно

Заполнить имя сети – например «shabronov», выделено цветом.

Указать соединение без проверки.

Не забудьте поставить галочку – сохранить параметры.

Внимание ! Каждому адаптеру требуется указать свое имя. Иначе получите сообщение

Проверка сети в системе измерения

Таким образом, каждому адаптеру usb wi-fi - присвоено свое сетевое имя. По этому имени происходит соединение. Операционная система компьютера присваивает адаптеру уникальный IP адрес. Нажать кнопку "Подключение". Откроются сетевые подключения и соединятся компьютеры в беспроводную сеть.

Получится соединение и видим, что сеть подключена.

Аналогично подключаем необходимое количество адаптеров.

Программное обеспечение для системы измерения

Предлагаемая система измерений должна иметь программное обеспечение на компьютере. В настоящее время wi-fi адаптеры имеют много различных программ, которые возможно использовать в представленной системе измерения. Представим программу, находящуюся в свободном доступе в интернете и авторский вариант системы измерения.

Программа свободного доступа, возможная для использования в системе измерения

Программа inSSIDer скачать . Адрес сайта http://www.metageek.net/products/ .

Скачать и установить на компьютер. После запуска откроется окно. Вид смотри ниже. Цветом выделены доступные адаптеры

Для двух адаптеров требуется открыть два окна. В режиме 2.4GHz и наблюдаем спектр. См. фото.

- В режиме Time Graf получим графики сигналов RSSI от каждого из адаптеров. Смотри фото.

Программа inSSIDer работает только с одним адаптером. До 2х-3х адаптеров, еще можно анализировать сигналы RSSI. Но с большим количеством затруднительно. Например, если открыть 8-мь окон с графиками, то визуальной информации получается очень много. Смотри фото ниже. Цветом выделены номера адаптеров.

- это графики уровня RSSI от 8-ми адаптеров. На рабочем столе компьютера с разрешением 1920*1080 все окна в полном размере не увидеть.

авторское программное обеспечение

Скачать программу для работы системы измерения test_vlaga_wifi.exe . Программа выполняет основные измерения RSSI и построения графиков до 10 адаптеров wi-fi. После запуска откроется окно. Смотри рисунок ниже.

В самой верхней части окна 2-е строки индикации времени работы программы, заголовок окна и индикатор положения курсора. Рабочее поле разделено на две части: поле выбора режимов и поле служебной информации. В поле выбора режимов кликнуть мышкой на цифры и буквы режимов или подвести клавишами стрелок красный курсор к требуемому режиму и затем нажать "enter".

Например, на рисунке ниже показано, более крупно, место нажатия мышки для открывания диспетчера устройств компьютера. При наведении на =j= знакоместо выделяется белым фоном.

Исходная программа, с возможностью работы в консольном режиме и открытым исходным кодом в test_monsys.exe Для удобства работы с системой измерения на адаптерах wi-fi из исходной программы убраны все лишние переходы, а оставлено лишь требуемое измерение.

Получить режим измерения из исходной программы, можно выполнив ее в командной строке с опциями: s 3 b

Пример: test_monsys.exe s 3 b j <enter> - откроется диспетчер устройств данного компьютера

Консольный режим для test_vlaga_wifi.exe не предусмотрен. Для получения данных для wi-fi в режиме консоли выполните test_monsys.exe s 3 b 2 <enter>

В начале по клавише <3> тестируется наличие адаптеров и подключенных сетей. Например, ниже показано 3-и адаптера большое количество доступных wi-fi сетей

Необходимо отключить wi-fi адаптер, неиспользуемый в измерении, это "сетевой адаптер Broadcom"
Нажимаем <Пробел> и открываем на главном меню панель управления сетями и в нем изменение параметров адаптеров. Ниже на рисунках выделено цветом где нажимать.

Далее включаем в работу все подключенные адаптеры 802.11n USB Wireless LAN Card нажимаем клавишу <6> . Ниже на рисунке показано, где находится данный режим.

Если режим подключения сети установлен автоматический, все три адаптера включаются в назначенную сеть. Это контролируется по вкладки использования сети, как показано ниже на рисунке. Т.е. мы включили 3-и адаптера. Нажимаем далее клавишу <5> для построения графиков и гистограмм распределения.

Откроется окно графиков с построением гистограмм. На рисунке ниже для двух адаптеров.

Показания графиков одновременно отображаются и обрабатываются статистически.

- выдается текущий отсчет, в dbm;

- среднее значение за период измерения в 32 значения;

- дисперсия среднего значения за период измерения в 32 значения;

- интервал дисперсии 32..2 dbm индицируется звуковым сигналом. Это позволяет точнее зафиксировать момент стабильного измерения.

Ограничения системы измерения

Точность измерения ограничена 1 децибел на милливатт.
Данные измерений зависят от качества изготовления антенн. Имеется влияние на показания измерений в зависимости от боковых лепестков диаграммы направленности.
Имеются ограничения на размеры измеряемых объектов из-за малой мощности USB-WI-FI адаптера. Мощность излучения адаптера не может превышать 1 милливатт по санитарным нормам для бытовых изделий общего назначения.
Используемый метод измерения – метод сравнения с образцовым материалом требует наличие таких образцов. Подготовка образцовых материалов с заранее известными свойствами – это дополнительные затраты для системы измерений.

Лабораторные работы на основе адаптеров ЭМВ диапазона 2.4ггц

изучение свойств поглощения-отражения воды ( H20 ) ( в отладке)
моделирование интеллектуальных датчиков присутствия. Построение моделей и систем "умный дом" ( в отладке)
измерение свойств ионизационных излучений. Анализ влияния на поглощение-отражение ЭМВ объектов подвергаемых ионизации. (в отладке)
изучение свойств антенн, предназначенных для систем измерения. Сравнение реальных антенн и их компьютерных моделей.( в отладке)
изучение свойств пространства при "насыщении" источниками излучения ЭМВ. Изучение "радио-загрязнения", методов выявления и способов решения технических задач при большом количестве радиоисточников. Изучение приборов спектрального анализа ЭМВ. (в отладке)

Пример использования и направление развития

· Для анализа диапазона ЭМВ 2.4ггц в работе "Разведка сетей WI-FI" (адрес: http://www.shabronov.narod.ru/doc_shabronov/razwedka_wifi/ приведена программа razwedka_wifi.exe и ее описание работы. Это упрощенный вариант программы test_vlaga_wifi.exe. Поэтому, она значительно меньше по размеру (450кб) .

· Направление по применению ЭМВ и микроволновых систем диапазона 2.4 .. 12ггц

переход к системам измерения на принципе не разрушаемого контроля.
разработка систем измерения влажности для промышленных задач. Влажность зерна в хранении на элеваторах, влажность песчано-гравийных смесей на ЖБИ,
разработка систем измерения влажности или наличия влаги для малых объектов. Например, процент влажности в пакете молока или сметаны или кефира и т.д.
исследовать влияния на информационно-биологическую связь. Найти ее или опровергнуть. Например, смотри так называемое зеркало Козырева (ссылка)

· Направление развития программного обеспечения:

1. улучшение визуализации данных;

2. ввести графическое представление антенн и их диаграмм направленности.

3. ввести автоматическую привязку адаптеров к системе измерений;

4. перейти к сетевой связи систем измерения, т.е. много компьютеров работают со многими адаптерами по одной задаче.

· Направление развития в "железе":

1. перейти на диапазон 5ггц. Использовать адаптеры 2х диапазонов;

2. перейти на диапазон К- 12ггц. Использовать приемники спутникового ТВ.

3. перейти к системам измерений по принципу "антенной решетки". Увеличить мощность измерительных сигналов.

4. разработать и использовать антенны для малых форм и размеров для измерения.

Некоторые материалы по использованию СВЧ и измерительных систем СВЧ:

· сайт моделирования антенн