Диссертация (Проектирование устройств автономного электропитания сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей), страница 4

Дляостальных устройств вполне возможно подведение стационарного кабельного-24электропитания. В ряде случаев, при применении определенных топологийконфигурации системы и протоколов передачи данных можно объединитьфункции маршрутизатора сети в беспроводном модуле-детекторе.1.3 ПРОТОКОЛЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙПри построении беспроводных сенсорных сетей чаще всего применяетсятопология Mesh Logic (ячеистой сети), основанная на децентрализованной схемеорганизации сети, что позволяет достичь достаточно высокой надежности. В этомслучае сеть состоит из множества узлов (мотов), представляющих собой не толькопередатчикиданных,собранныхсенсорами,новыполняющихфункциимаршрутизаторов-ретрансляторов для других мотов данной сети (рисунок 1.6).Благодаря этому появляется возможность создания самовосстанавливающейся исамоорганизующейся сети. Таким образом, при отказе одного или несколькихузлов происходит автоматическое перенаправление трафика по иному маршруту,что в итоге гарантирует не только факт доставки данных, но доставку заминимально короткое время.

Одним из недостатков подобных сетей является то,что в них используется промежуточные пункты сбора информации, котораянакапливается по мере передачи, что может в дальнейшем привести к задержкампри пересылке, и, как следствие, к снижению качества трафика реальноговремени.На сегодня существует большое количество протоколов и стеков [15, 17, 62,82, 83], использующих в том или ином виде ячеистую топологию.

Основной-25проблемой при проектировании сенсорных сетей является выбор наиболееподходящей технологии. При этом следует принимать во внимание следующиефакторы:1.Объём данных. Иногда в системах необходимо собирать и передаватьочень большие объём информации.2.Время отклика. Если устройство является частью цепи, то критическиважным становится время его реакции на полученную команду, которое в рядеслучаев должно составлять несколько миллисекунд.3.Дальность передачи. Установочное расстояние между мотами можетдостигать от нескольких метров до нескольких километров, что, в свою очередь,влияет на потребляемую мощность и наличие требований по лицензированиютехнологии связи.4.Общее число мотов.

Сложность сети влияет на протокол передачиданных и вероятность обнаружения ошибок при передаче данных.Рисунок 1.6 - Пример ячеистой топологииК наиболее перспективным стандартам беспроводной передачи данных всенсорных сетях являются: Z-Wave, ISA100.11a, WirelessHART, Wavenis и Zigbee.Их сравнительные характеристики приведены в таблице 1.2.-26-Таблица 1.2 – Сравнение характеристик беспроводных стандартовПараметрЧастотавещания,ГГцZigbee0,868/0,915/Z-WaveWirelessHART ISA100.11aWavenis0,433/0,868/0,908/0,8682,42,420-2509,6-402502504,8-1007530500150до 10002,40,915Скоростьпередачи,кбит/сСреднийрадиусдействия,мТаким образом, наиболее интересными решениями для применения в составесистемы мониторинга являются Zigbee, как самый распространенный ипопулярный, и WirelesHART, обладающий большим радиусом действия (рисунок1.7).Рисунок 1.7 - Система сбора телеметрическойинформации на основе БСТС-27-ZigbeeОсновнойособенностьюмасштабируемостииZigbee-сетейсамоорганизацииявляетсябезихкаких-либоспособностькдополнительныхвмешательств со стороны пользователя, а также быстрой переконфигурации сетипо мере добавления в нее новых устройств.В настоящее время рынок беспроводных сенсорных технологий Zigbee непредлагает готовых решений для самоорганизующихся сетей, а лишь отладочныекомплексы.

Поэтому для подключения конкретного сенсора к беспроводномумодулюнеобходимыопределенныенавыки,опыт,стандартбыла,следовательно,идополнительные финансовые затраты.WirelessHARTВапреле2010годаданныйединогласноодобренмеждународной электротехнической комиссией (МЭК) в качестве первогомеждународногостандартабеспроводнойсвязидляпромышленнойавтоматизации под номером IEC62591.В основу WirelessHART также заложены технологии самоорганизующихсяячеистых сетей (Mesh Network), то есть настройка параметров передачиинформации происходит без особого вмешательства со стороны пользователя. Всвязи с этим удалось добиться максимальной энергоэффективности встроенныхрадиопередатчиков.Также одной из важных особенностей данной технологии являетсяиспользование нескольких механизмов повышения надежности при передачеданных: для предотвращения интерференции с сетями на одной частотепредусмотрена технология скачкообразного изменения рабочей (несущей)частоты (FHSS).

Таким образом, только приемник, настроенный на тот жеалгоритм смены частоты, что и передатчик, сможет принять данные. Также длязащиты информации от прослушивания применяется технология расширения-28спектра (DSSS) – распределение узкополосого сигнала по большой полосе за счетдобавления псевдослучайной последовательности битов.Такимобразом,построениесистемымониторингаутечкигазаизмагистрального газопровода на базе маломощных радиочастотных приемопередатчиков, работающих в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГцстандарта IEEE 802.15.4-2006, в целом позволяет обеспечить следующиепреимущества системы:1. Гибкость конфигурации при установке мотов.2.

Снижение трудозатрат на монтаж, пусконаладку и сопровождение.3. Простота наращивания системы.4. Высокая отказоустойчивость.Так как расстояние между соседними устройствами сети может достигать1000 м, то, учитывая перечисленные выше преимущества, данное решениепозволяет обеспечить высокую надежность и существенно снизить стоимостьсистемы за счет, в том числе, прокладки кабельных линий связи.По сути единственным преимуществом Zigbee перед WirelessHART являетсяего большая распространенность и большее количество производителей,представляющих поддерживающий данный протокол устройства. Тем не менее,реализация концепции Wireless HART в настоящий момент уже вовсю набираетобороты, а компания Pepperl+Fuchs еще в 2009 году выпустила целую сериюустройств для этого протокола.Такимподходящимобразом,решениемпротоколдляWirelessHARTорганизациипредставляетсясенсорнойнаиболеебеспроводнойсетимониторинга магистральных газопроводов на предмет детектирования их утечки.Типовое энергопотребление приемо-передающего модуля беспроводного модуляв режиме передачи составляет порядка 20 мА при питающем напряжении 2-3 В,следовательно, потребляемая максимальная мощность данного модуля составит40-60 мВт.

Если учесть, что данный протокол позволяет устройству большуючасть времени находиться в спящем режиме, то для энергоснабжения достаточно-29использоватьхимическиеисточникитока.Данноерешениебудетработоспособным при средней рабочей температуре порядка 0-20 градусов С, но,при отклонии температуры от заданного диапазона, будет иметь местозначительное снижение емкости аккумулятора. Поэтому, при использованииустройства в суровых климатических условиях нефтедобывающих районов, дляорганизации бесперебойного электроснабжения будет необходимо обеспечитьдополнительное поступление электрической энергии.1.4 ДЕТЕКТОРЫ УТЕЧКИ ГАЗАОдним из основных компонентов беспроводного модуля является детекторутечки газа.

Именно он, собственно, и занимается анализом состоянияокружающего воздуха на предмет наличия в нем вредных газов (метана)предельной концентрации и выдает сигнал об обнаружении газа главномуконтроллеру.На сегодня обнаружение наличия газов в контролируемом объеме в основномвыполняется при помощи нескольких типов детекторов [3, 38, 98]: пленочные,оптические и полупроводниковые или каталитические.Пленочные датчики, или колоритмические (рисунок 1.8), являются однимииз самых популярных для использования в составе сенсорного модуля. Главнымих преимуществом является достаточно низкое энергопотребление (около 4 мВт)и возможность изготавления в миниатюрном исполнении, например, типаSMD0603 для монтажа на поверхность.

Детекор представляет собой излучатель,-30направляющий поток света через колоритмическую пленку на фотодетектор.Такжевсоставданногодатчикаобычновходитимикроконтроллер,обрабатывающий полученные от фотодетектора данные. При наличии вокружающемвоздухеопределенногогазапленкаменяетсвойцвет,следовательно, меняет поток света, регистрируемый фотодетектором.

Когдаизмеренная величина достигает установленного порога, уровень которогоустановлен техническим заданием и хранится в памяти микроконтроллера,устройство генерирует соответсвующий сигнал, который может быть передандальше в зависимости от назначения беспроводного модуля.Также существуют пленочные датчики, принцип действия которых основанна изменении сопротивления пленки при наличии в атмосфере опасных газов. Этоизменениеобычнодостаточнонебольшоеидляегообнаружениямикроконтроллером требуется еще и дополнительный усилитель сигнала.Рисунок 1.8 - Колоритмический детекторОба описанных датчика, имея низкое энергопотребление, подходят дляиспользования в составе автономного сенсорного устройства, однако они такжеимеют и ряд недостатков, а именно: достаточно длительное время отклика втечение нескольких минут, что ограничивает их применение в случаях,-31требующихпостоянныйнепрерывныймониторинг,атакжесложностьсхемотехнических решений.Оптические датчики, обладающие достаточно высокой скоростью отклика,позволяют обнаруживать незначительные концентрации газов, но при этомявляются чрезмерно энергозатратными при их широком применении в сенсорныхсетях.

Сенсорный модуль с детектором данного типа потребляет около 800 мА(без учета потребления микропроцессора и радиопередатчика), что делаетбольшинствосистеммониторинга,использующихоптическиедатчики,непригодными для автономных систем.Чем-то вроде компромисса между описанными выше типами детекторовявляются полупроводниковые и каталитические, которые имеют меньшееэнергопотребление, чем у оптических датчиков, и меньшее время реакции наобнаружение утечки (в пределах нескольких секунд по сравнению с пленочнымидатчиками. Данный тип работает по принципу нагрева чувствительного слоя,меняющего свое сопротивление при наличии в атмосфере газа.