Содержание

Введение 9

1 Эксплуатационная часть 11

1.1 Системы интервального регулирования движения поездов 11

1.1.1 Интервальное регулирование движения поездов с помощью рельсовых цепей 11

1.1.2 Интервальное регулирование движение поездов с помощью счетчиков осей 12

1.1.3 Интервальное регулирование движение поездов с использованием систем спутниковой навигации 13

1.1.4 Система КЛУБ – У 15

1.2 Обзор беспроводных технологий, протоколов беспроводной передачи данных. Подбор оборудования 18

1.2.1 Общие сведения о беспроводных технологиях передачи данных 18

1.2.2 Характеристика технологий беспроводной передачи данных 19

1.2.3 Обзор технологии передачи данных ZigBee 23

1.2.3.1 Сведения о стандарте ZigBee 23

1.2.3.2 Функциональное разделение устройств в сетях ZigBee 25

1.2.3.3 Топологии сетей 26

1.2.3.4 Устройства, работающие с протоколом ZigBee 28

1.2.3.5 Интерфейсы взаимодействия модуля XBee с управляющим микроконтроллером 30

1.3 Устройство обработки информации на базе микроконтроллера 33

1.3.1 Управляющий микроконтроллер 33

1.3.2 Платформа Arduino 35

2 Техническая часть 37

2.1 Общая концепция разрабатываемой системы 37

2.1.1 Структура разрабатываемой системы 37

2.1.2 Использование радиочастотной идентификации 39

2.1.3 Методы позиционирования подвижных объектов в беспроводных сенсорных сетях 43

2.1.3.1 Методы, основанные на анализе информации об углах приема сигнала (Angle of arrival) 44

2.1.3.2 Методы, основанные на измерении времени распространения сигнала от передатчика до приемника (Time of arrival) 45

2.1.3.3 Методы, основанные на анализе уровня принимаемого сигнала RSSI (Received signal strength indicator) 46

2.2 Управляющий микроконтроллер 52

2.2.1 Плата Arduino Uno R3 52

2.2.2 Микроконтроллер ATmega 328p 54

2.2.3 Среда программирования Arduino IDE 56

2.3 Работа с модулями XBee 58

2.3.1 Модуль XBee S2C 58

2.3.2 Режимы энергопотребления 60

2.3.3 Подключение модуля к управляющему микроконтроллеру 61

2.3.4 Настройка модуля XBee 62

2.3.4.1 Работа с программой в режиме настройки модуля 65

2.3.4.2 Работа с программой в режиме взаимодействия с модулем 67

2.3.4.3 Работа с программой в режиме управления сетью 71

2.4 Программное обеспечение для управляющего микроконтроллера 72

2.5 Организация беспроводного канала связи 74

2.5.1 Режимы управления 74

2.5.2 Форматы пакетов данных 76

2.6 Создание пользовательского приложения для ПК 78

2.6.1 Требования к пользовательскому приложению 78

2.6.2 Описание используемых компонентов 79

2.6.3 Алгоритм приложения 80

2.7 Рекомендации по размещению оборудования 81

2.7.1 Размещение напольного оборудования 81

2.7.1.1 Варианты установки внешней антенны 83

2.7.2 Размещение оборудования на движущемся объекте 85

3 Расчет экономических затрат на разработку системы 87

3.1 Характеристика проекта 87

3.2 Расчет затрат на разработку системы 88

3.2.1 Затраты, связанные с покупкой комплектующих 88

3.2.2 Затраты, связанные с оплатой труда разработчика 90

3.2.3 Затраты, связанные с отчислениями в обязательные социальные внебюджетные фонды 92

3.2.4 Затраты, связанные с расходом электроэнергии 93

3.2.5 Общие затраты, связанные с реализацией проекта 93

4 Безопасность жизнедеятельности. Рабочее место инженера программиста 95

4.1 Анализ условий труда 95

4.2 Расчет освещения на рабочем месте инженера программиста. 96

4.2.1 Расчет естественного освещения 96

4.2.2 Расчет искусственного освещения 102

Заключение 104

Список используемых источников 105

Приложение А 108

Приложение Б 109

Введение

В условиях развития промышленности, железнодорожный транспорт прочно основался на первом месте по грузообороту, оставаясь относительно дешевым и безопасным видом транспорта. На сегодняшний день, магистрали железных дорог позволяют удовлетворить потребность в растущем грузообороте, а сеть железных дорог по протяженности является одной из самых длинных в мире.

Важнейшим фактором повышения пропускной способности является надежная и точная работа систем позиционирования.

Использование современных технологий позволяет разрабатывать и внедрять системы позиционирования. в различных областях: морской навигации, аэронавигации, робототехнике и т.д. К ним предъявляются высокие требования, что позволяет повышать экономичность и эффективность управления сложными комплексами. Наиболее важными характеристиками систем позиционирования являются: точность, энергопотребление, помехозащищенность, стоимость и автономность. Существует множество технологий, позволяющих определить местоположение объектов, движущихся по земле, в воздухе, по воде и под водой, по баллистическим траекториям между двумя точками на земной поверхности. Во всех случаях, необходимо с большой точностью знать параметры движения объекта.

Под системой позиционирования в данной работе подразумевается система, обеспечивающая мониторинг за объектом в локальной системе, с отображением его позиции на плане контролируемой территории.

Развитие технологии беспроводной передачи данных, позволяет появляться новым стандартам, среди которых достаточно устоявшимся понятием является термин «сенсорная сеть» (Sensor Network). Получив широкое распространение при проектировании системы умный дом, сенсорные сети зарекомендовали себя как самоорганизующиеся, устойчивые к отказу отдельных элементов сети, которые состоят из большого числа компактных дешевых устройств, связанных по беспроводному каналу. Позволяя покрывать большую территорию, применение беспроводных сетей в технологическом процессе на железной дороге, является актуальным вопросом, требующим теоретического и практического изучения.

Целью данного дипломного проекта является разработка системы позиционирования подвижных объектов с применением беспроводных сенсорных сетей. На основе изученного теоретического материала необходимо произвести подбор материальной базы и программного обеспечения. Разработать наглядное пользовательское приложение для сбора и обработки данных на персональном компьютере (ПК).

Изложенный метод использования сенсорных сетей на железнодорожном транспорте с целью позиционирования подвижных объектов подразумевает проверку показателей надежности и безопасности в условиях действующего участка автоблокировки (АБ).

1 Эксплуатационная часть

1.1 Системы интервального регулирования движения поездов

1.1.1 Интервальное регулирование движения поездов с помощью рельсовых цепей

В настоящее время основным и самым распространенным техническим средством для фиксации местоположения подвижной единицы являются рельсовые цепи (РЦ). Принцип действия РЦ заключается, в разбитии участка железнодорожного пути на изолированные участки. О местоположении поезда можно судить исходя их состояния этих участков (свободно или занято). Одновременно РЦ позволяют контролировать целостность рельсовых нитей и наличие посторонних металлических предметов на пути следования поезда. Принцип интервального регулирования движения поездов с помощью РЦ поясняет рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 – Интервальное регулирование движения поездов с помощью РЦ при четырехзначной автоблокировке

Развитие конструкторской мысли привело к тому, что с помощью РЦ сейчас можно передавать информацию в кабину машиниста о поездной ситуации впереди. Вместе с тем, обеспечивая высокую степень безопасности, РЦ имеют ряд существенных недостатков. Значительная степень капитальных затрат на оборудование и обслуживание участка дороги, высокие расходы на энергопотребление не позволяют оборудовать РЦ малодеятельные участки дороги, ввиду экономической нерентабельности. Однако, несмотря на недостатки, РЦ остаются основным средством идентификации поездов в системах (АБ) на перегонах и в системах электрической централизации (ЭЦ) на станциях.

1.1.2 Интервальное регулирование движение поездов с помощью счетчиков осей

Другим техническим средством интервального регулирования движения поездов является система счета осей. Принцип действия такой системы заключается в выполнении условия равенства количества осей, вошедших на контролируемый участок и вышедших с него. Устройства счета осей, как правило, устанавливаются на границах контролируемого участка, при этом использование этой системы возможно, как на перегоне, так и на станции. На рисунке 1.2 показано определение местоположения поезда с помощью счетчиков осей.

Рисунок 1.2 – Интервальное регулирование движения поездов с помощью счетчиков осей

Капитальные затраты для организации контроля участков с помощью системы счета осей значительно ниже чем при использовании РЦ. Однако стоит отметить, ряд недостатков, а именно, система не контролирует целостность рельсовых нитей, что накладывает отпечаток на показатели безопасности. Для увеличения пропускной способности, количество счетчиков осей на пути следования может быть достаточно велико. Применение данного технического решения экономически оправданно на малодеятельных участках железной дороги. Соответственно должны быть оценены и сравнены капитальные и эксплуатационные расходы, а также экономический эффект при внедрении РЦ и счетчиков осей.

1.1.3 Интервальное регулирование движение поездов с использованием систем спутниковой навигации

Системы глобального позиционирования получили широкое распространение в последние два десятилетия. Они предназначены для определения координат объекта в пределах всего мира. На сегодняшний день существует две основные глобальные спутниковые системы навигации и позиционирования: американская NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range) и российская ГЛОНАСС.

Американская система была введена раньше и её услугами пользуются во всем мире, в том числе и в России, и в настоящее время за NAVSTAR закрепилось название GPS (Global Positioning System). Учитывая военную составляющую NAVSTAR, в России была разработана национальная спутниковая система ГЛОНАСС.

Навигационные системы спутникового позиционирования состоят из трех элементов:

• группа космических аппаратов;

• система контроля и управления;

• навигационная аппаратура пользователя.

Спутники выведены на неизменную орбиту (около 100 километров от поверхности Земли). Для полного покрытия Земного шара требуется 24 спутника.

Орбиты спутников создают “сетку” над поверхностью. Как правило, из каждой точки Земли одновременно видно не менее шести спутников.

Система контроля и управления состоит из:

• центра управления навигационной системой;

• сети наземных станций измерения, управления и контроля;

• центра управления каналами связи.

Задача данной системы заключается в контроле исправного функционирования спутников, уточнения параметров орбит, выдача команд управления и контроль их выполнения. При нахождении спутника в зоне видимости наземной станции, система контроля производит прием информации, получаемой со спутника, обрабатывает их и вычисляет данные, подлежащие загрузке в бортовой компьютер спутника.

Навигационная аппаратура состоит из навигационных приемников и устройства обработки, предназначенных для приема сигналов спутников и вычисления собственных координат.

Принцип действия спутниковой навигации основан на определении расстояния от текущего положения спутникового приемника до группы спутников. Зная расстояние до четырех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечения четырех сфер. Процесс определения координат, по четырем спутникам представлен на листе 1 графического материала.

Третьей глобальной системой позиционирования стала система ГАЛИЛЕО, разрабатываемая с 2011 года Европейским союзом и Европейским космическим агентством. В настоящее время ГАЛИЛЕО располагает 18 из 30 спутников на орбите. Запуск всех 30 планируется к 2020 году.

Спутниковые системы являются беззапросными — пользовательские приемники не посылают запрос на спутник, а только принимают сигнал. Достоинством данных систем можно считать большую площадь покрытия и высокую точность. В таблице 1.1 представлены основные характеристики трех систем спутникового позиционирования.

Таблица 1.1 – Характеристики глобальных спутниковых систем

Метод определения местоположения поезда с использованием технических средств спутниковой навигации является одним из перспективных. Такой метод хорошо себя зарекомендовал в авиации, автомобильном и морском транспорте, но на железных дорогах масштабы его применения пока невелики.

1.1.4 Система КЛУБ – У

Идея использования средств спутниковой навигации на железной дороге была реализована в системе КЛУБ (комплексное локомотивное устройство безопасности – унифицированное). Устройство в первую очередь было предназначено для повышения безопасности движения в поездной и маневровой работе за счет приёма сигналов от путевых устройств АЛСН и отображения их машинисту. Оно выполнено на микропроцессорной базе и имеет 100% активное резервирование функциональных модулей для повышения надежности.