Диссертация (1137104), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Краткими характеристиками платформыявляются: совместимость с 2,4 ГГц IEEE802.15.4 и ZigBee; рабочее напряжение2.7-3.6 В; ток потребления в спящем режиме 2.8 mkA; дальность связи 1-4 км наоткрытом пространстве; время автономной работы от двух батарей типа AAAдо 2 лет; габариты опытного образца 35х75 мм; 32-битный RISС-процессор стактовой частотой 16/32 МГц; 96 кБ RAM, 192 кБ ROM; шина I2C; возможностьорганизации до 10 цифровых входов/выходов [3,36-38].В Сургутском государственном университете, также на протяжениипоследних 5-ти лет ведутся исследования в данной области, предложен иразработан макет беспроводного модуля для контроля утечек газа сенсорнойтелекоммуникационной системы, на основе стандарта ZigBee, используемогодлямониторингаиоценкитехническогосостояниямагистральных97газопроводов. СТС КУГ представляет собой аппаратно-программный комплексдля организации беспроводной радиочастотной сети, которая обеспечиваетавтоматический сбор данных от распределенных в пространстве сенсоров –беспроводных модулей, и обработки телеметрической информации.
Аппаратнопрограммный комплекс предназначен для применения на предприятияхнефтегазовой промышленности, но может применяться и в энергетики, вкоммунальном хозяйстве и в других областях.В состав СТС КУГ входят (рис. 3.1): беспроводные модули с наборомтехнических средств – сенсоров для оценки уровня концентрации газа/метана наобъектах МГ, приема - передачи информации по каналам связи, различныхисточников питания; радиоканал сети сбора данных; модули сопряжения;беспроводной шлюз; сервер; канал связи (проводной или беспроводной) междушлюзом и сервером; клиентские приложения в виде специализированногопрограммного обеспечения.Рисунок 3.1 - Схема архитектуры СТС КУГСовокупность БМ образует БСС, в которой с помощью шлюза собраннаяинформация, передается на сервер или на ЭВМ пользователя для последующей98обработки.
Передача информации от шлюза может осуществляться попроводным или беспроводным каналам связи. Для организации беспроводногоканала связи в ряде случаев может использоваться инфраструктура операторовсотовой связи. В БМ выполняются функции: обнаружения посредствомсенсорныхдатчиковначало/окончанияутечекутечкигаза;газавопределенияконтролере;временизарядкиобнаруженияустройствБМ,посредством аккумулятора, солнечных элементов, ветрогенератора; передачисобственной информации и ретрансляция данных полученных от предыдущегона следующий БМ, и т.д. в конечном итоге для ввода ее в ЭВМ, для обработки.БМ представляет собой устройство (рис.
3.2), размещенное в корпусе сопределенной степенью защиты, используемое для решения задач, связанных сосбором данных от распределенных в пространстве модулей контроля утечекгаза, работающих от автономных источников питания и обладающее наборомосновных компонентов:•детектор утечек метана (ДУМ), является чувствительным элементомопределяющим наличие утечек газа ЛУ МГ, который приэтом состоит извысокочувствительного датчика по обнаружению утечек газа/метана (в данномслучае заявлен стационарный инфракрасный датчик-газоанализатор МИП ВГ02-1-II-Х.1 [27,63], предназначенный для автоматического непрерывногоизмерения концентраций метана (СН4) и др.
газов в воздухе открытыхпространств на газовых магистралях, в том числе во взрывоопасных зонах), иэнергонезависимой памяти;•приемо-передающеесостоящееизустройствоуправляющего(ППУ)сфункциеймикроконтроллера,ретрансляцииприемопередатчика,встроенной антенны, флэш-памяти, внешних схем согласования уровней USB,RS232, цифрового порта.
Для организации беспроводной сети используютсямаломощные радиочастотные приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4 нелицензируемого диапазона частот 2400-2483,5 МГц и стек сетевых протоколов99MeshLogic.Дальность радиосвязиусловиямираспространениямежду соседнимирадиоволн(вданномБМопределяетсяслучаеоткрытоепространство) и может составлять от десятков до нескольких сотен метров.ВстроенныйпротоколБМподдерживаетпростейшийвариантобменаданными/пакетами по радиоканалу «точка-точка». Для идентификации БМслужит 32-битный адрес, записанный в энергонезависимую память модуля.Рисунок 3.2 - Блок-схема БМ с передачей данныхТаким образом, перед началом обмена данными первому модулю(расположенному на компрессорной станции МГ) необходимо задать адресудаленного модуля.
Текущий адрес удаленного модуля можно занести вэнергонезависимуюпамятьсоответствующейкомандойконфигурации.Протокол обмена данными реализован в БМ, его суть следующая, на каждуюпосылку, передаваемую модулем, должно немедленно прийти подтверждение100приема пакета от удаленного модуля, при этом этот удаленный модуль необязательно должен быть следующим по цепочке, согласно стандарту IEEE802.15.4 возможен захват данных через один или несколько модулей. В случаеесли подтверждение не пришло, передача пакета повторяется, это будетпроисходить до тех пор, пока не будет достигнуто определенное время,определяемое в конфигурации БМ.
Процедура запроса данных показана нарисунке 3.2. Такой протокол обмена данными полностью обеспечивает полныйконтроль над потерей информации;•автономные источники питания (АИП) (аккумулятор, солнечная батарея,ветрогенератор, гибридный регулятор), обеспечивает питание внутреннихблоков устройства в импульсном режиме, то БМ большую часть временинаходится в режиме пониженного энергопотребления (в спящем режиме). Засчет этого срок службы аккумуляторной батарей может достигать несколькихлет в зависимости от выбранного периода измерений и масштаба сети (длинацепочек ретрансляции до шлюза).Беспроводной шлюз имеет степень защиты корпуса IP20, но в случаенеобходимости может быть размещен в специальный пылевлагозащитныйшкаф.Конструкцияиисполнениебеспроводныхмодулейишлюзовобеспечивает их работоспособность в широком диапазоне климатическихпараметров с рабочим диапазоном температур от -40 до +85 ∘С.Способность БМ в случае необходимости ретранслировать пакеты для ихдоставки шлюзу позволяет создавать распределенные системы со значительнойплощадьюпокрытия.Приэтомбеспроводныемодулиавтоматическивыполняют поиск маршрутов, как при первоначальном развертывании сети, таки в случае перемещения отдельных БМ, их выключения для техническогообслуживания или выхода из строя.
Такая организация сети обеспечиваетгибкость при развертывании сенсорной телекоммуникационной системы наобъектедиагностированияиповышеннуюнадежностьсистемысбора101информации по сравнению с проводными решениями. ПО отвечает заработоспособность БМ и находится под управлением операционной системой(ОС) реального времени (РВ) TinyOS, осуществляя прием и передачу данных,которые БМ получает с ДУМ, ППУ, АИП, и далее сигналы обрабатываютсяаналого-цифровым преобразователем (АЦП).БМ устанавливается вблизи трубы (около 5-10 м), через определенноерасстояние (около 100 м), с учетом розы ветров, анализа информации пораспространению газового облака, подстилающей поверхности и соединяютсямеждусобойпосредствомрадиосвязи[6,7,10,28,98,99,109],образуяпоследовательную БСС приемопередающих устройств, которые посредствомретрансляции передают информацию от точки к точке.
Хотя дальность работыБМ ограничивается их мощностью и возможностями ДУМ, и достигает всреднем 100 м, однако организация сети с использованием узловых точек дляретрансляции данных позволяет увеличить это расстояние до необходимого,чтобы покрыть территорию МГ от одной КС до другой. Выбор беспроводногоканала связи для передачи информации между БМ и ЭВМ, объясняетсясложностью прокладки кабеля в труднодоступных районах эксплуатации МГ.На территории, покрываемой областью действия БМ возможно подключениелюбого ЭВМ (КПК, ПК, ноутбука) через USB порт, что позволяетсинхронизировать работу модуля для получения информации и последующей ееобработки.
Наличие низкого энергопотребления позволяет размещать модулипомагистрали,незаботясьодополнительномподведениипитания,ограничиваясь только автономными питающими элементами (аккумуляторами)и используя для их зарядки солнечные батареи или ветряные установки.Периодичность работы БМ определяется работой следующих основныхустройств: ДУМ, ППУ и АИП. Посуточный алгоритм работы БМ представленна рисунке 3.3. Из представленной схемы следует, что в светлое время суток,когда солнечная энергия будет интенсивно заряжать АИП, БМ будет102включаться через каждые 2 часа, а в темное время суток достаточно трех тактовконтроля, через 4 часа.
В итоге БМ будет работать в течение суток 9 раз, началосуточного цикла в 1400 часов, а его результат записываться и запоминаться впервом разряде информационного кода. Тогда время работы БМ в среднемравно 10 минут.Рисунок 3.3. - Алгоритм работы БМПоскольку факт обнаружения утечки газа запоминается в контроллереППУ, то результат контроля за сутки в целом достаточно передавать один раз,после девятого такта работы БМ, после чего информационный код обнуляется,при дальнейшей эксплуатации режим работы БМ можно легко изменить.Формат асинхронной последовательности передачи данных (кадр) БМсодержит n (n=9) пересылаемых битов информации (в каждый такт работы БМзаписывается соответствующий разряд, при этом логическая «1» соответствуетналичию утечки газа).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
