Диссертация (1137104), страница 13
Текст из файла (страница 13)
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА СЕНСОРНОЙТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫОбнаружение утечек газа на линейных участках МГ осуществляетсясенсорной телекоммуникационной системой, посредством использованияустановленныхкомпонентамивдолькотороговысокочувствительныймагистралиявляются:беспроводныхмодулейизмерительныйинфракрасныйдатчикосновнымипреобразовательутечки–метана;приемопередающий модуль и автономные источники питания.По результатам проведенных исследований в данной главе былисформулированы требования, описаны принципы по обнаружению утечек газа иразмещению БМ в соответствии с метрологическими, технологическимихарактеристиками, представлен способ и метод передачи информации посенсорной сети, а также разработаны аппаратные средства, используемые в СТСдля диагностирования технического состояния магистральных газопроводов.Оценка качества выбранных аппаратных средств телекоммуникационнойсистемы проводилась на основе анализ технических характеристик сиспользованием разработанного программного обеспечения, что позволилообосновать новизну предложенных решений.3.1.
Требования к аппаратным средствамОсобенности применения СТС КУГ из МГ позволяют сформулироватьтребования как к системе в целом, так и к ее составным частям, т.е. каппаратным и программным средствам. Основными требованиями к СТС КУГзаключаются в следующем: передача достоверной информации; непрерывностьфункционирования; приемлемое время доставки сообщений; систематизация,архивированиеидокументированиенеобходимойинформациио92функционировании системы; обмен информацией с другими элементамисистемы. Основными требованиями к аппаратным средствам являются:оперативностьивысокаяточностьюопределенияутечекгаза,многофункциональность решаемых задач, чувствительность устройств, наличиеавтоматизации, проведение обследования в различное время суток.Требования к беспроводным сетевым технологиям ZigBee: использованиестандарт IEEE 802.15.4; надежность; пространственная масштабируемость сети;легкость в развертывании; легкость наблюдения за самой сетью; простойпротоколов связи; открытая архитектура; высокое качество связи; высокаястепень защиты информации в сети; высокая живучесть сети, возможностьперестраивать сеть, изменяя структуру и маршрутизацию; возможностьсамопостроения;низкоеэнергопотребление;длительноевремяработыустройств с аккумуляторным источником питания.1.Требования к сенсорным устройствам для определения концентрацийметана: стационарный прибор с диффузионным способом забора пробы;использование метода анализа избирательного поглощения инфракрасногоизлучения определенных длин волн для определения газа; малое время доставкиинформации от датчиков к центру управления; метод модуляции - OQPSK(Offset Quadrature Phase Shift Keying); высокая надежность в условиях помех;высокая устойчивость к отказу одного или нескольких сенсоров; возможностьсоздания сетей сложной топологии; высокая устойчивость к «взрывному»трафику, возникающему при критических ситуациях; метод расширенияспектра - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum); простота интеграции;большое время жизни; не требует постоянного обслуживания; может работать вотсутствие кислорода; не чувствителен к газам, выводящим из строятермокаталитические сенсоры; возможность работать в условиях повышеннойвлажности; имеет широкий диапазон рабочих температур и питающихнапряжений;работаетвусловияхтемпературныхколебаний;низкое93энергопотребление сенсоров; большой радиус действия; питание черезинтерфейс(дляUSB-модема);повышеннаязащищенностьотнесанкционированного доступа; возможность дублирования функций сенсоровдля критических условий; низкая стоимость в сравнении с существующимирешениями; небольшой размер; минимизация эксплуатационных расходов;обмен данными UART; модульный принцип поддерживает «инкрементную»модернизацию внедренной системы (модернизация за счет замены в системенебольшого числа БМ).2.Требованиякприемо-передающейсистеме:использованиемалогабаритного модуля стандарта ZigBee/IEEE 802.15.4 XBeePRO; диапазончастот 2400-2483,5 МГц; управление осуществляется через интерфейс UART спомощью АТ - команд; скорость последовательного интерфейса управления от9600 до 921600 бит/с; наличие встроенной чип – антенны; повышеннаямощность излучения; большой радиус действия; малые размеры; наличие флэшпамяти объемом 4 Мб для хранения пользовательских данных; при мощностиизлучения 100мВт дальность действия при прямой видимости до 1200м; низкоеэнергопотребление; низкая стоимость.3.Требования к автономным источникам питания: быстрое включение;низкое тепловое излучение; большая продолжительность работы; сохранение70–90%энергии;механическимвысокопрочнаявоздействиям;конструкция;стойкостьдолговременнаяквнешнимработа;низкоеэнергопотребление; надежность работы в автоматическом режиме; возможностьработы без обслуживающего персонала; надежно противостоять воздействиямокружающей среды; высокий срок службы; низкая стоимость.3.2.
Структура беспроводного модуля контроля утечек газаСовременные достижения в области радиосвязи и цифровой электроникисделали возможным создание достаточно дешевых, низко энергопотребляющих94имногофункциональныхспособныхпередаватьустройств,информациюимеющихнанебольшиезначительныеразмеры,расстоянияипорадиоканалу. В основном подобные устройства обладают набором следующихаппаратных средств: сенсорные датчики, микропроцессоры, радиопередающиеустройства, что позволяет в свою очередь реализовать различные протоколысетевого взаимодействия между множеством аналогичных устройств – создаваятак называемые беспроводные сенсорные сети (БСС) [4-7,103].БСС–этосистема,представляющаясобойраспределенную,самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сетьнебольших устройств с автономным источником питания.
Узлы такой системыпередают сообщения друг через друга по беспроводным каналам связи, попротоколу ZigBee, обеспечивая значительную площадь покрытия при малоймощности приемо-передатчика. Протокол ZigBee – это международныйоткрытый стандарт, контролируемый объединением ZigBee Alliance, созданныйна основе стандарта IEEE802.15.4, обеспечивает гибкие, расширяемые сетевыетопологии,содержитвстроенныефункциидляорганизациисетейимаршрутизации передаваемых данных, обеспечивает простую установку ивысокую устойчивость к сбоям, в радиолинии, обладает неограниченнымивозможностями при покрытии территории [37,38,87-90].Основными особенностями БСС являются: малые габариты узла и низкаястоимость; высокий энергетический потенциал; длительный срок эксплуатации;при плотным размещением устройств в пространстве большие масштабы сетей;высокая надежность и отказоустоичивость системы достигается наличиеммножества различных маршрутов доставки данных; устойчивость к изменениямтопологии сети; самонастройка и самовосстановление сети; способность узловобрабатыватьполученныеданные;ограниченныевычислительные,коммуникационные и энергетические ресурсы узла [3-7].95При реализации систем, требующих применения технологии БСС,разработчики имеют несколько вариантов решения.
Первый вариант –построение собственной системы на основе стандарта ZigBee, с учетом того, чтосегодня доступно большое количество различных ZigBee-устройств, напримермикросхемы приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4 или готовые ОЕМ модули со встроенным ПО. Недостаток данного варианта состоит в затраченныхвременных ресурсах на изучение стандарта IEEE 802.15.4, с глубокимпониманием механизмов построения эффективных ZigBee-сетей в реальныхусловиях эксплуатации данных технологий. Другой вариант применениедоступной платформы, например, Sensicast, в которой используются либособственные приемопередатчики, либо использующие стандарт IEEE 802.15.4.Данное устройство представляет собой различные аппаратные модули, каждыйсо своей функциональностью, встроенного ПО узлов и ПО ЭВМ для управленияБСС.
Ограничением данного варианта является закрытость платформы иотсутствие возможности внести изменения в логику сетевого взаимодействиядля реализации требований конкретного приложения [87-90].Однако достоинства первого варианта заключающиеся в относительнойпростоте и малых сроках получения работоспособного решения, а также вширокомиспользованииданныхтехнологийвразличныхотрасляхпроизводства: нефтегазовая (автоматизация объектов добычи и первичнойподготовки нефти, обнаружение утечек из трубопроводов); энергетическая(мониторингрежимов работыоборудованияподстанций);строительная(мониторинг технического состояния зданий и сооружений); жилищнокоммунальное хозяйство (коммерческий учет поквартирного потреблениягорячей и холодной воды, газа, электрической и тепловой энергии); другиеприложения (диагностика промышленного оборудования), явно перевешивают.Хотелось бы отметить, что подобные исследования, как в нашей стране,так и за рубежом, ведутся достаточно давно, так, например, в лаборатории96«Беспроводных сенсорных сетей» МИЭМ была предложена, разработана идоведена до выпуска опытная партия изделий в виде универсальная платформыБСС.
В состав данной платформы входят: ZigBee координатор – центральноевычислительное устройство системы, собирает данные со всех сенсоров сети,управляет ее исполнительными устройствами, обеспечивает инициализациюБСС и ее связь с внешним миром через подключенный компьютер; ZigBeeмаршрутизатор - устройство для построения больших сетей (до 1000 сенсоров),осуществляет передачу пакетов по узлам сети и ищет оптимальный маршрутдля осуществления качественной связи; ZigBee устройство управления устройство для подключения различных датчиков и исполнительных устройств,работает с наиболее популярными интерфейсами; GSM-ZigBee маршрутизатор– получает данные от БСС и передает их каналу GSM; ZigBee устройствоуправления с обратной связью, имеет компактный размер 50*30*10 мм и четыреклавиши управления для связи с узлами сети; ZigBee-VOIP гарнитура позволяетосуществлять беспроводную телефонную связь через Интернет; ZigBeeинтеллектуальный шлюз – позволяет осуществлять стыковку ZigBee сетей сдругими беспроводными сетями.