11. Беспроводные сети (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

11. Беспроводные сетиВ настоящее время задача построения распределенных систем управления, сбора данных и мониторинга актуальна в самых различных прикладных областях. Однако использование традиционных проводныхрешений не всегда эффективно из-за высокой стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, а также технического обслуживания. Кроме того, в некоторых ситуациях вообще невозможна прокладка кабелей по техническим, экономическим или другим причинам. Поэтому беспроводные системы передачи данных в большейстепени подходят для решения поставленной задачи, но их практическое использование долгое время былозатруднительно из-за низкой надежности радиоканала по сравнению с проводным соединением, высокой стоимости и энергопотребления элементной базы, а также проблем с установкой и настройкой системы на объекте.

Но сейчас это стало реальностью.Беспроводные сети передачи информации (ИНФ) состоят из множества распределенных в пространстве устройств, обладающих набором датчиков (или других источников ИНФ), микроконтроллером и радиочастотным приемопередатчиком для связи на короткие расстояния. Их основными особенностями являютсясамоорганизация и адаптивность к изменениям в условиях эксплуатации, поэтому требуются минимальныезатраты при развертывании сети на объекте и при последующем ее сопровождении в процессе эксплуатации.Кроме того, поддержка многоячейковой топологии и способность узлов в случае необходимости ретранслировать сообщения других узлов обеспечивает значительную площадь покрытия системы при малоймощности передатчиков и устойчивость к отказу отдельных узлов по различным причинам (появление помехили препятствий, физическое повреждение, перемещение и т.д.), что позволяет эксплуатировать сеть в зданияхи на промышленных объектах со сложными условиями распространения радиоволн.

При этом узлы самостоятельно определяют оптимальные маршруты доставки данных и корректируют их при изменении топологиисети.Аппаратное обеспечение беспроводных узлов и протоколы сетевого взаимодействия между ними оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания.

В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать несколькихлет.Таким образом, решения на базе беспроводных сетей имеют следующие преимущества по сравнению спроводными системами:- отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;- низкая стоимость монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;- минимальные ограничения по размещению беспроводных устройств;- возможность внедрения и модификации сети на эксплуатируемом объекте без вмешательства впроцесс его функционирования;- надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при нарушении отдельных соединениймежду узлами или выходе некоторых узлов из строя.Рассмотрим поэтапное развитие технологий беспроводных сетейНа раннем этапе технологии, предназначенные для организации беспроводных сетей передачи данныхпредполагали установку базовых станций (точек доступа) и установку соответствующих адаптеров на компьютере, если они ими не оборудованы.

Эта особенность выгодно отличается от кабельных систем.GSM (Global System for Mobile communications) был утвержден в 1982 г. как общеевропейский стандарт для беспроводных коммуникаций. Первая система по этой технологии была реализована лишь в 1991 г.Groupe Special Mobile первоначальное название этой технологии, в настоящее же время, с принятием этогостандарта и в других странах мира, эта аббревиатура понимается как Global System for Mobile communications.GSM основана на комбинации FDMA (frequency division multiple access, множественный доступ с частотнымразделением) и TDMA (time division multiple access, многостанционный доступ с временным разделением каналов). Сигнал, поступающий от передатчика, принимается ближайшей станцией (через которую в дальнейшем происходит обмен данными), а затем передается на базовую.CDMA (Code Division Multiple Access) многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов.Интерфейс доступа, основанный на использовании сигналов с расширенным спектром и одновременной передачей большого числа сигналов в общей полосе частот.

Использование различных методов модуляции сигналов как раз и позволяет обслуживать большое количество клиентов. Упрощенно, эту схему можно представитьследующим образом: передатчик, в общем случае, применяет определенный алгоритм для преобразованиясигнала (фазовый, частотный, амплитудный и их комбинации), а приемник, посредством получаемого кода отпередатчика, в свою очередь, использует определенный алгоритм демодуляции.1GPRS (General Packet Radio Service, сервис пакетной передачи данных по радиоканалу) технология передачи данных для стандарта GSM, когда клиент непосредственно соединяется с Интернет-провайдером, из-заэтого GPRS иногда называется GSM-IP. Вообще говоря, оператор сотовой связи организует VPN (VirtualPrivate Network), и обмен данными с GPRS-клиентами происходит по выделенному для каждого туннелю.Данные по этому интерфейсу могут передаваться со скоростью не более 170 Кб/с.Bluetooth технология беспроводного обмена данными между разнообразными устройствами, быларазработана в 1994 году группой ведущих компаний в области телекоммуникаций.

Эта технология используетнебольшие приемопередатчики малого радиуса действия, либо непосредственно встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. Интерфейсы Bluetooth работают в радиусе до 10 метров (Class 3), до 20 (Class 2), до 100 (Class 1) и, в отличие от IrDA (инфракрасный порт), не обязательно в зонепрямой видимости.

Bluetooth работает в нелицензируемой полосе частот 2,42,4835 ГГц, а соответственно, бесплатно, однако не исключается присутствие других технологий, использующих этот же диапазон. Каждомуустройству назначается уникальный 48-битный адрес согласно стандарту IEEE 802.15.Далее рассмотрим некоторые примеры.Организация беспроводной сети средствами ПТК КОНТАР (МЗТА, Россия)1) Организация беспроводной связи с контроллерами на основе технологий Wi-Fi и Wi-MaxWi-Fi современная беспроводная технология передачи данных по радиоканалу, позволяющая подключаться к Интернету. Рабочая частота 2,4 ГГц.

В качестве стандартов на данный момент приняты IEEE 802.11а,802.11b и 802.11g со скоростями 2,4 Мбит/с, 11 Мбит/с и 54 Мбит/с соответственно. Применяется для использования на небольшом расстоянии в пределах различных помещений, дальность передачи – до 1 км на открытой местности.Wi-Max – новейшая беспроводная технология, аналогичная Wi-Fi (стандарт IEEE 802.16а).

Рабочаячастота от 2 до 11 ГГц. Скорость передачи данных – до 75 Мбит/с. Для организации подключения в пределахгородских кварталов и населенных пунктов в сельской местности, радиус действия составляет немногим менее 50 км.Мастер-контроллер МС8(12) может быть подключен к КОМПу (локальной сети) с использованием технологии Wi-Fi (Wi-Max). Контроллер по интерфейсу Ethernet подключается к Wi-Fi (Wi-Max)-адаптеру (точкадоступа).Еще один немаловажный плюс технологии Wi-Max: в отличие от Wi-Fi, радиус покрытия которого непревышает 100 метров, зона покрытия Wi-Max, при определенных условиях, может достигать 50 км. Поэтомуона может быть полезна таким пользователям, для которых, недоступен Интернет или даже обычная телефония, например в отдаленных районах, где просто нет возможности провести кабельные сети или DSL (DigitalSubscriber Line - цифровая абонентская линия).

А таких пользователей по всей России немало, поэтому WiMax в нашей стране будет развиваться достаточно быстро и будет иметь успех не только у корпоративныхклиентов и различных организаций, но и у частных пользователей, при одном, конечно, условии, что плата заоборудование будет достаточно невысокой).Рис. 1. Применение Wi-Fi2Практика показала высокую экономическую эффективность использования беспроводных сетей. В сочетании с оперативностью их развертывания и возможностью объединения удаленных объектов это становится важнейшим фактором их широкого распространения.Особую ценность беспроводная связь имеет при оснащении новыми системами управления старых сооружений, где прокладка новых коммуникаций часто вызывает серьезные трудности, а также при автоматизации перемещаемого оборудования.Существующие беспроводные технологии, такие как ZigBee, Wi-Fi и Wi-Max, позволяют поддерживать достаточный уровень безопасности ИНФ, практически не уступающий проводным аналогам.

При этомпользователи получают полную свободу от кабеля, а следовательно, от места нахождения КОМПа оператора,диспетчера, наладчика и ОУ. Кроме повышения эффективности работы за счет мобильности, получается ощутимая экономия средств на оборудовании и материалах.2) Организация беспроводной связи с датчиками на основе технологии ZigBeeВозможность организации беспроводного соединения с ДЧ открывается при внедрении новой технологиимикромощной самоорганизующейся связи – ZigBee.ZigBee – набор протоколов и расширений к международному стандарту IEEE 802.15.4.Рабочая частота – 2,4 ГГц.Спецификация беспроводной связи ZigBee предполагает небольшую скорость передачи данных (250Кбит/с) и сверхнизкий уровень потребления энергии.Дальность передачи от 10 до 100 м., в зависимости от отдаваемой мощности и окружающей среды.Дальность связи может быть увеличена путем применения ретрансляторов сигнала.Готовятся к выпуску ZigBee-датчики для измерения температуры, влажности и освещенности, подсчетаимпульсов, а также работы с внешними аналоговыми (до 3 входов 0-10 В или 0-20 мА) и дискретными (до 6входов) датчиками.

Некоторые исполнения содержат задатчик для изменения регулируемого параметра и возможности временного включения системы в период спящего режима работы.ZigBee-датчики работают с исполнениями контроллеров МС8/МС12 (МЗТА, Россия), имеющими вставнойинтерфейсный субмодуль ZigBee (готовится к выпуску), позволяющий принимать радиосигналы от ДЧ. Одинтакой контроллер может обслуживать до 15 ZigBee-датчиков.