Сигурност

Безжична комуникация при Интернет на нещата

CIO Media

Комуникационно-информационни системи, проектирани по принципите на IoT (Internet of Things), са съществена част от съвременната информационна инфраструктура. Подобни системи включват многообразни области на приложение като безжични сензорни мрежи, битови микроконтролерни устройства, управление на комплексни обекти от тип smart sities, отбранителни проекти и в полза на киберсигурността. В основата на подобни системи са електронни модули с вградени изчислителни възможности, стандартни входно-изходни интерфейси и безжична свързаност.

Обект на изследване от авторите е един евтин и широкоразпространен електронен модул, предназначен основно за вграждане в системите с IoT. Характеризирано е от производителя си като SOC (System on Chip) с основни технически характеристики: двуядрен 32-битов процесор, работна честота до 240 MHz, 520KB RAM, 4 MB енергонезависима памет и различни цифрови интерфейси за осигуряване на връзки M2M (Machine to Machine). Важно свойство е наличието на вградени възможности за WIFI комуникация по стандартни протоколи IEEE 802.11, което прави устройството безпроблемно приспособимо за взаимодействие със съществуващи безжични интернет мрежи.

Вземайки предвид, че антенните системи за външно подключване са с добре известни характеристики, в материала авторите се спират на изследване на свойствата на вградената PCB антена, графичния оригинал на която е показан на фиг. 1b. Подобна конструкция на антени е известна като MIFA (Meandered Inverted F Antenna).
Съществената част от изследването е проведено с прилагане на софтуерни пакети от състава на продукта Altair FEKO 2020, който е наличен за експериментално ползване в Института по отбрана "Професор Цветан Лазаров" със съдействието на фирма "ГосВик" ЕООД, официален представител на фирма Altair Engineering LTD за България.
Показаният на фиг. 1 (b) графичен оригинал на антенната система е свободно достъпен в цифров файлов формат. Извършено е конвертиране от файлов формат GERBER, който съдържа графичния оригинал за производство на печатната платка на устройството към файлов формат STEP. Файлът STEP представлява тримерен твърдотелен (solid) модел на антенната система и същевременно е подходящ за автоматизирано въвеждане в програмата Altair CADFEKO. За конвертирането са използвани последователно програмите KiCAD, QCAD и FreeCAD. Посочените програми са мултиплатформени и с отворен код (open source).

В процеса на конвертиране се преминава от GERBER формат (фиг. 2) към DXF формат. Работата в програмата QCAD приключва с експортиране на изображението във вида на затворена полилиния в DXF файлов формат.
Така извършеното конвертиране към затворена полилиния позволява тя да бъде импортирана в програмата за твърдотелно моделиране FreeCAD (фиг. 3a), където с операция "екструзия" се задава реалната дебелина на електропроводимия слой, представляващ моделираната антенна система. В случая е зададена дебелина от 0.018 mm, според съществуващите PCB стандарти за производство.

Процесът на конвертиране приключва с верификация на създадения тримерен твърдотелен модел на антената. Както е показано на фиг. 3b, създаденият от авторите антенен модел виртуално е интегриран към съществуващ тримерен модел на въпросното IoT устройство. Твърдотелният модел на антенната система се записва в STEP файлов формат.
Изследването на радиотехническите свойства на антенната система преминава през създаване на модел на пространствените характеристики на излъчвания радиосигнал. В случая от интерес е определяне на пространственото разпределение на стойностите на коефициента на усилване Gt на антената. За целта са използвани програмите Altair CADFEKO и Altair POSTFEKO. Стъпките, през които се преминава, са:
Определят се работните геометрични измервателни единици, в случая милиметри.
Импортира се създаденият тримерен твърдотелен модел от STEP файл (фиг. 4). По подразбиране на този обект се установява свойството електропроводност (PEC, Perfect Electric Conductor).

Създава се диелектрична подложка (substrate) със стандартна за PCB дебелина от 0.8 mm.
Създава се захранваща верига (feed pin).
Дефинира се електрическа свързаност на елементите от моделираната антенна система (union).
Създава се захранваща точка (wire port).
Дефинира се източник на мощност с амплитуда на напрежението 1 V и товар (impedance) 50 Ω, при типична за WIFI системи честота от 2.45 GHz.
Извършва се триангулиране (meshing) на излъчващата повърхност на антенната система с подбран коефициент (wire radius), в случая 0.0001 mm (фиг. 5).

Дефинира се цел на симулацията - изграждане на пространствена диаграма на насочено действие (far field).
Извършва се валидация на модела с проверка на готовността за провеждане на исканата симулация.
При успешна валидация симулацията се стартира с команда Feko Solver.
Визуализира се резултатът от проведената симулация (фиг. 6).

Постигнатите резултати могат да бъдат оценени в качествен и количествен аспект.
Качественият аспект е съотносим с очакваната форма на пространствената диаграма. Извършеното задълбочено интернет проучване от авторите върху характеристиките на MIFA антени не показа до този момент да има публикувани графични решения на подобна диаграма.

Голямата популярност на изследваното IoT устройство в общността на разработчиците предвидимо повдига въпроса за максималното разстояние на радиовръзка, което може да осъществи подобно устройство. В специализираните форуми съществуват бележки, които насочват към експериментални наблюдения на насочено действие, които потвърждават качествения резултат от проведената симулация.

Количествено резултатът може да бъде оценен по определената максимална стойност на коефициента на усилване Gt. Постигнатият резултат от 1.64 dBi за максимална стойност на коефициента на усилване Gt (фиг. 6) е близка до заявената от производителя стойност от 2 dBi.
полк. д-р Иван П. Иванов и доц. Александър А. Колев, Институт по отбрана "Професор Цветан Лазаров" София, България.


X