Четырехуровневая система строго разделает весь использующийся программно – аппаратный комплекс на четыре уровня. Обмен данными может происходить лишь между соседними уровнями. Нижний уровень (уровень удаленного контроля) отвечает за сбор данных и предоставление их на следующий уровень. Он состоит из оконечных узлов. Функциональность уровня мала, в целях более эффективного использования энергоресурсов контролируемого узла.

Промежуточный уровень (транспортный уровень) отвечает за опрос датчиков нижнего уровня, сбор данных и их маршрутизацию с нескольких конечных узлов. Данный уровень определяет тракт передачи данных. Помимо этого, устройства данного уровня отвечают за ретрансляцию пакетов данных с других устройств своего уровня.

Уровень концентрации отвечает за сбор, хранение и обработку данных. На данном уровне происходит анализ данных и представление пользователю. Быстродействие на данном уровне не так важно, т.к. выполняющееся в нем программное обеспечение может выполняться за пределами вычислительного комплекса, обращаясь лишь к данным, предоставляемым промежуточным уровнем.

Уровень АСУ предоставляет визуализацию важнейших данных. При получении данных, система самостоятельно сравнивает их с заданными значениями управляемых параметров и при отклонении от заданных уведомляет персонал с помощью тревог, позволяя ему предпринять необходимые меры. При этом на данном уровне происходит запись действия персонала, обеспечивая контроль его действия на случай нештатной ситуации.

Устройство сбора данных включает в себя модуль ZigBee серии XBee с четвертьволновой штыревой антенной, подключаемой с помощью разъема RP-SMA и микроконтроллер. Модуль выполняет роль оконечного устройства в сети ZigBee c ограниченным набором функций (RFD).

Транспортный уровень включает в себя маршрутизаторы. Он может быть реализован как при помощи модулей ZigBee серии Xbee, так и с помощью более мощных, специализированных ZigBee модемов, которые имеют улучшенные характеристики дальности действия. Устройство выполняющие роль маршрутизатора обладает полным набором функций (FFD).

Для организации удаленного доступа к сети ZigBee через Ethernet (и опционально GSM) компания Digi в начале 2008 года выпустила семейство продуктов «ConnectPort X» — линейку IP-шлюзов, обеспечивающих бесшовную интеграцию беспроводных сетей ZigBee с сетями Wi-Fi, сотовыми сетями поколений 2G или 3G и трафика Ethernet для доступа к централизованным приложениям и базам данных [5].

Уровень АСУ включает в себя пользовательское приложение, которое разработчикам ZigBee сетей требуется разрабатывать самостоятельно. В качестве наглядного примера в данном проекте предложено приложение, разработанное в среде Delphi 7. Речь о данном приложении пойдет далее.

2.1.2 Использование радиочастотной идентификации

Построение сети с использованием приемопередатчиков беспроводных сетей и управляющего контроллера, позволяет регистрировать движение поездов, методом фиксации радиочастотной (РЧ) метки в радиусе действия передатчика. Данная технология получила широкое распространение под названием Radio Frequency Identification (RFID).

В качестве среды передачи данных, РЧ идентификация использует радиочастотное электромагнитное излучение. Запись и чтение информации производится на небольшое устройство, называемое меткой, или транспондером. RFID-система состоит из считывающего устройства и множества РЧ меток.

По типу питания все РЧ метки можно разделить на пассивные и активные. Пассивные метки не имеют собственного источника питания и запитываются энергией считывающего устройства. Они самые простые, компактные и дешевые. Активные метки содержат собственный источник питания, они сложнее и значительно дороже пассивных, но дальность их действия и скорость работы в десятки и сотни раз больше. Дешевые пассивные метки уже используются для маркировки относительно недорогих товаров массового спроса, например, в супермаркетах. Однако для идентификации поезда при массовых перевозках пассивные метки не пригодны из-за малой дальности действия, здесь нужны только активные метки. Если же каждый вагон снабжен активной РЧ-меткой, то его можно идентифицировать на расстояниях в сотни метров за доли секунды. Преимущества использования активных меток многократно возрастают, если эти метки являются узлами сети ZigBee. Обмен данными происходит очень быстро, и поэтому идентификационную информацию можно получить без остановки поезда.

Считывания информации с РЧ метки происходит с использованием считывающего устройства, запрограммированного для подключения к управляющему микроконтроллеру. Поскольку микроконтроллер спроектирован для работы в сети ZigBee, то он имеет встроенное программное обеспечение (стек протокола) для автоматического поиска и соединения с аналогичным устройством по протоколу IEEE 802.15.4. Такая РЧ-метка может работать без замены батареи до пяти лет.

На рисунке 2.1 показана общая концепция использования сенсорной сети для контроля движения поездов на перегоне. Задача сводится к определению местоположения «головы» и «хвоста» поезда, приближение к границе станции, к вычислению положения впередиидущего и следующего поезда.

В таких задачах не требуется передавать большие объемы информации, но важны прежде всего экономичность, автономность, надежность.

Рисунок 2.1 – Расположение узлов с разными сетевыми ролями

Каждый объект системы, снабжается РЧ меткой с уникальным идентификационным номером. При движении поезда по перегону с установленной меткой, у каждого проходного светофора, происходит регистрация этого события в единой базе данных. Накопленная информация предоставляется для визуального отображения в системах контроля и управления движением поездов из единого диспетчерского центра управления. Такой подход позволяет отследить весь маршрут следования поезда по перегону.

При прохождении поезда входного светофора (границы станции) данное событие фиксируется на посту ЭЦ станции.

Для контроля движения поездов в пределах станции, микроконтроллеры могут устанавливаться для входных и выходных светофоров, для стрелок, к датчикам повторителей светофоров на пульт-табло, повторителей реле на посту ЭЦ и т.д. А оснащение стационарного модуля навигационным приемником позволяет синхронизировать временные данные, получаемые со спутника.

Установка стационарных меток в релейных шкафах светофоров накладывает на них определенные требования, а именно: работа при отрицательных температурах; вандалоустойчивость; водонепроницаемость; считывание данных на большом расстоянии.

За пределами зоны соединения метка может с определенной периодичностью накапливать информацию от приемника ГЛОНАСС о своем местонахождении, а затем автоматически сбрасывать эти данные на активный узел, маршрутизатор, координатор. На рисунке 2.2 показан принцип синхронизации в пределах станции. Такой подход имеет очевидное преимущество по сравнению с использованием GSM-канала: отсутствие затрат на трафик и поддержание отдельного номера в сотовой сети позволяет во много раз снизить расходы на содержание системы.

Рисунок 2.2 - Контроль объектов и синхронизация на станции

Опыт использования РЧ идентификации в других отраслях позволяет выделить несколько важных особенностей:

• для считывания информации не требуется прямая видимость радиочастотной метки, поэтому с целью сохранности она может располагаться в корпусе (если он не металлический);

• скорость чтения меток достигает 1000 шт. в секунду;

• метка содержит большой объем информации, причем есть возможность ее перезаписи;

• высокая степень безопасности достигается за счет того, что каждая метка обеспечивается уникальным идентификатором, который назначается на заводе при ее изготовлении, а также шифрованием данных, записываемых в метку.

2.1.3 Методы позиционирования подвижных объектов в беспроводных сенсорных сетях

В распределённой структуре, которой является сенсорная сеть основным источником информации o координатах будут являться данные o взаимном расположении отдельных объектов. Фактически это данные o расстояниях между объектами. Для построения оптимального пути передачи данных строится сетевая структура, в которой каждый член сети передает данные о всех видимых им участников сети. Вместе со списком участников сети передается расстояние до каждого участника сети. Сбор этих данных осуществляется сетевыми объектами, а обработка может осуществляться либо на основе встроенных вычислительных возможностей сетевых объектов, либо на специальной базовой станции, обладающей требуемыми вычислительными мощностями. На таких станциях (или серверах) рассчитывается положение каждого участника сети, по отношению к другим участникам, методом триангуляции.

Существующие системы определения координат можно условно разделить на две группы системы радиолокации и системы радионавигации. Различие между терминами заключается в назначении этих систем. Радиолокация используется при определении координат объекта системой, тогда как термин радионавигация используется в случае систем, предназначенных для помощи объекту в вопросе определения своих координат. В качестве примера использования радиолокации можно привести многочисленные радиолокационные системы военного назначения, в качестве примера использования радионавигации больше подходят системы гражданского назначения – системы навигации воздушных и морских судов, в частности наземные системы VOR (VHS Omnidirectional Ranging), спутниковые системы GPS, Galileo, ГЛОНАСС.

Система позиционирования подвижных объектов с помощью сенсорных сетей представляет собой развернутую беспроводную сеть, состоящую их стационарных, а также расположенных на подвижных объектах узлов. Для локализации подвижного узла, выделяют различные алгоритмы, основанные на анализе принимаемого радиосигнала.

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

Алгоритмы вычисления координаты мобильного объекта в данном методе используют информацию об угле приема сигнала. Для этого стационарные узлы оборудуются направленными антеннами, которые фиксируют углы прихода сигналов от мобильных объектов (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Метод позиционирования Angle of arrival

Как видно из рисунка 2.3, а, можно выделить треугольник с двумя известными углами (β, λ) и одной стороной R (рисунок 2.3, б). Тогда расстояние до базовой станции (БС1) можно вычислить по формуле (2.1):

, (2.1)

где R – расстояние между двумя БС.

Точность данного метода зависит от точности принимающих антенн и может достигать нескольких градусов.

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

Идея определения расстояния до подвижного объекта основана на измерении времени, за которое сигнал распространяется от передатчика до приемника. Данный метод поясняет рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 – Метод позиционирования Time of arrival

В данном методе мобильный объект посылает запрос i-ой БС. Поскольку сигнал распространяется со скоростью света, зная время его распространения между объектом и i-ой БС можно рассчитать расстояние между ними по формуле (2.2):

(2.2)

где с – скорость света;

t_i – время распространения сигнала от i-ой БС до объекта.

Каждое такое измерение определяет окружность, в центре которой находится БС. В пределах данной окружности и находится объект. В идеальном случае для определения объекта на плоскости необходимо пересечение трех окружностей. Однако на практике, когда движение объекта ограничено одной траекторией (движение автомобиля по дороге, поезда по рельсам) для достоверной локализации объекта достаточное количество БС равно двум.

Для устранения недостатка в необходимости синхронизации часов используется метод Return time of Arrival (RTA). Данный алгоритм рассчитывает расстояние до мобильного объекта на основе времени прохода сигнала до объекта и обратно. Данный метод требует от датчиков умения как посылать сигнал, так и принимать его. Так как отчет времени производится по одним часам, отпадает необходимость в синхронизации.

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

Алгоритм данного метода является одним из распространенных. В качестве механизма позиционирования используются данные уровня принятого сигнала.

Любой беспроводной канал по стандарту IEEE 802.15.4 имеет протокольную функцию оценки качества связи (Link Quality Indicator), действие которой сводится к определению мощности принятого сигнала. Результат этого измерения можно вывести, откалибровать по известному расстоянию и оценить дальность до источника. Измерение расстояния производится следующим образом. Приемник с логарифмической амплитудной характеристикой принимает сигналы, по которым встроенный индикатор RSSI формирует 8-разрядный код RSSI_VAL. Этот код получается в результате усреднения по восьми периодам (128 мкс) принятого сигнала и снабжается битом состояния, указывающим, когда RSSI_VAL является валидным (т. е. приемник имел возможность принять по крайней мере восемь периодов). В качестве экспериментальной проверки данный подход был реализован при помощи модулей XBee Series 2C (S2C) фирмы Digi, речь о которых пойдет далее.