Диссертация (1137104), страница 19
Текст из файла (страница 19)
В обычном рабочем режиме модуль периодически прослушивает канали при получении широковещательного пакета данных или предназначенногоему адресного пакета модуль сохраняет его в буфере приема и выставляет вактивный уровень сигнал прерывания /IRQ, при обнаружении которого хостустройство может прочитать принятый пакет, используя команду «Чтениепринятого пакета». В этом случае цикл обмена имеет вид, показанный нарисунке 3.23(б).При разработке БМ использовались радиомодули XBee компании Digi(рис. 3.20), относятся к классу ZigBee-модулей с уже предустановленнымпрограммным обеспечением, благодаря которому значительно сокращаютсясроки разработки конечного изделия и упрощается процесс передачи данных.При этом предполагается, что модуль, в большинстве случаев, работает подуправлением внешнего хост-процессора.
В то же время производительдопускает загрузку в модуль собственного приложения пользователя, котороепри этом должно самостоятельно взаимодействовать со стеком ZigBee,подключаемым на этапе компиляции программы [8,88]. Модули позволяютпостроить mesh-сеть, включающую спящие и мобильные устройства, основнойрежим работы — это работа под управлением внешнего микроконтроллера,управляющего модулем с помощью простых AT-команд или упорядоченныхструктур данных (режим API) [87].ZigBee-профиль позволяет организовать прозрачную передачу данныхмежду любыми узлами сети и предоставляет доступ к мультиплексированнымцифровым (12) и аналоговым (4) портам ввода/вывода на удаленных узлах.Основными задачами данного модуля являются: работа с внешними датчиками,которые выдают значения параметров в виде аналогового напряжения илиимеют выходы с двумя состояниями: «включено/выключено».
Для управлениявнешними устройствами, кроме цифровых выходов, можно использовать 2137вывода ШИМ (10 бит). Также XBee-модуль напрямую сопрягается с любымиустройствами, имеющими UART-интерфейс [90]. Для управления модулем спомощью внешнего микроконтроллера рекомендуется включить режим API, таккак именно он обеспечивает доступ ко всем ресурсам модуля, в этом случаеможно создавать сетевые узлы, работающие с публичными профилями,утвержденными ZigBee-альянсом.Пропускная способность ZigBee-сети зависит от топологии сети,направления передачи информации, уровня сигнала и даже соотношения числароутеров и конечных устройств. Для XBee-модулей ZB максимальнаяпропускная способность примерно равна 35 кбит/с.
Несмотря на относительноневысокие скорости передачи, это не является критичным параметром длябольшинства тех применений, для которых, собственно, и разрабатывался этотстандарт. В системах сбора информации с беспроводных датчиков объемполезных данных составляет десятки байт: такой объем не предъявляет высокихтребований к средней скорости передачи данных.Однако, кроме скорости передачи, в сетях с mesh-топологией данныебудут доходить до узла сбора информации с переменной задержкой, которуюнеобходимо учитывать при принятии решения о недоставке сообщения и,соответственно, повторных попытках передачи. Простая отдача команды напересылку пакета приводит в действие сложный алгоритм работы стека ZigBee(рис.
3.24).Рассмотрим основные параметры временных задержек для различныхтипов сообщений. При подаче команды на обнаружение всех БМ в сети (ND) впередаваемом пакете присутствует максимальная временная задержка, которуюмогут использовать БМ сети при отправке ответа. Эта задержка необходима длятого, чтобы все модули сети успели отправить ответные сообщения и этисообщения не мешали друг другу. Данная задержка устанавливается командойNT и по умолчанию равна 6 секундам. При подаче запроса ND не следует138предпринимать никаких действий, пока не пройдет время NT. Чем меньшеузлов в сети, тем меньше может быть значение NT.
Минимально допустимоевремя NT - 3,2 с. Не рекомендуется рассылать широковещательные сообщениячаще, чем 1 раз в 8 секунд.Рисунок 3.24 – Алгоритм работы стека ZigBeeПри отправке сообщения на удаленный БМ используется параметр NH(максимальное число ретрансляций) для установки максимального времениожидания ответа. По умолчанию значение NH - 1,6 с на одну попытку отправки.С учетом того, что время передачи пакета между 2 соседними БМ составляет 50мс и еще 100 мс необходимо на обработку данных, установленное по139умолчаниюзначениеNHопределяетмаксимальнуюдальностьв8ретрансляций. Если модуль отправляет сообщение и не получает ответа отудаленного узла за 1,6 секунды, то он автоматически делает еще 2 попытки.Такимобразом,общеевремя,отводимоестекомнадоставку(сподтверждением) одного сообщения, будет 4,8 секунды для сети глубиной в 8ретрансляций.
Если же сообщение отправляется на спящий конечный БМ, то ковремени доставки еще необходимо добавить время сна (параметр SP),длительность которого может достигать десятков секунд [98,99].Для модуля ZigBee существует три способа передачи данных в видетранзакций. Первый отвечает за передачу данных от сетевого устройства (СУ) ккоординатору. Второй за пересылку данных от координатора к СУ. Третийотвечает за обмен данными между СУ.
При реализации топологии точка-точкавозможно использование всех трех видов транзакций передачи данных.Механизм каждого способа обмена данными зависит от того, поддерживает лисеть PAN передачу маяков, которые необходимы для восстановления сети.Рассмотрим первый способ передачи информации в сети PAN споддержкой кадров-маяков, СУ передает данные координатору, которыйпытаетсяопределитьсинхронизуетсясокадр-маяк.структуройВслучаеобнаружениясуперкадра/информационногомаяка,кадра.СУВследующий момент времени, СУ передает свой информационный кадр,используя алгоритм CSMA-CA, координатору. Координатор подтверждаетдоставку путем посылки кадра подтверждения.На рисунке 3.25 (а) отображена последовательность действий.
Далее, припередаче координатором данных СУ, он по сетевому маяку определяет, какиеданные ожидают отправки (рисунок 3.25 (б)). Для этого СУ периодическипрослушивает сетевые маяки, и если в очереди имеются ожидающие отправкисообщения, то с использованием механизма CSMA-CA передается МАСкоманда запроса данных. Координатор подтверждает получение запроса данных140с помощью соответствующего кадра (ACK), после чего ожидающий отправкикадр данных пересылается.
Путем отправки кадра подтверждения СУподтверждает успешное получение данных. После чего сообщения удаляютсяиз списка ожидающих отправки.б)а)Рисунок 3.25 - Передача данных координатору в PAN (а), из коммуникатора (б)В сети PAN, каждое СУ может обмениваться данными с любым другимустройством в пределах радиодоступности, чтобы это осуществлялосьэффективно, СУ должны синхронизовать друг друга, данная опция реализуетсяпосредством привлеченияго механизма CSMA-CA.Нарисунке3.26(а)показанаструктуракадра-маяка,которыйформируется в рамках субуровня MAC, пояснения приведены в таблице 3.6.Таблица 3.6 - Структура кадра-маяка MAC16-битнуюконтрольную суммукадра - FCSструктуруЗавершающееполе MFRВспомогательныйзаголовокбезопасностисодержитАдресные поляНомер по порядкумаяка - BSNMACПолеMACданныхПоле данных маякаПолеПоледанныхожидающих адресовПоле GTSСпецификациюсуперкадраПоле данных MACуправленияКадр-маяк MACМАС - заголовок или MHRсуперкадра/кадра-маякаMAC/информационного кадра пояснения, приведены в таблице 3.6.
Кадр-маяк141MAC передается на уровень PHY в качестве блока сервисных данных - PSDU,который становится полем данных PHY, который имеет заголовок - SHR,служащийдлясинхронизацииданныхисодержащийпреамбулуиразграничитесь кадра - SFD, заголовок - PHR, содержит длину поля данныхPHY.
Поля SHR, PHR и PHY образуют пакет - PSDU.На рисунке 3.26 (б) показана структура информационного кадра,формируемого верхними слоями сетевой иерархии. Поле данных передается наMAC подуровень и рассматривается как сервисный блок данных, имеетзаголовок MHR, который содержит поле управления кадра, порядковый номерданных DSN, адресные поля и вспомогательный заголовок безопасности, далееследует поле MFR, которое содержит 16-битную контрольную сумму FCS.а)б)Рисунок 3.26 - Структура пакетов-маяков и кадров-маяков (а),информационного кадра (б)Заголовок MHR, поле данных MAC и MFR образуют поле данных MACкадра, т.е., MPDU. Данная сумма вычисляется по формуле G16(x)=x16+x12+x5+1,с использованием образующего полинома. MPDU передается на физический142уровень PHY в виде PSDU, который становится полем данных PHY, которыйимеет заголовок SHR, содержащий последовательность в виде преамбулы иполя SFD, а также поля PHR, которое в свою очередь содержит значение длиныполя PHY.
Преамбула и поле SFD обеспечивают синхронизацию.На рисунке 3.27 (а) показана структура MAC-кадра подтверждения, т.е.,MPDU, который формируются на MAC подуровне, который состоит из MHR содержащего поле управления MAC и DSN, MFR - содержащего 16-битнуюконтрольную сумму FCS. MPDU передается на физический уровень PHY в видепакета PSDU, который становится полем данных PHY, который в свою очередьимеет заголовок SHR, содержит преамбулу и поле SFD, а также поле PHR,которое содержит значение длины поля данных PHY.а)б)Рисунок 3.27 - Формат пакетов подтверждения и кадров (а), командных пакетовМАС-уровня и кадров (б)На рисунке 3.27 (б) показана структура командных пакетов MAC-кадров,которые создаются на МАС подуровне. Поле данных MAC содержит поле тип143команды и поле данных MAC, которое имеет заголовок MHR и дополняетсяполем MFR, которое в свою очередь содержит 16-битное поле управления MAC- FCS.
MHR, поле MAC и MFR образуют командный кадр MAC, т. e., MPDU,который передается на физический уровень как PSDU и становится полемданных PHY, которое имеет заголовок SHR, содержащий преамбулу и полеSFD, а также поле PHR, куда записывается длина поля данных PHY. Поля SHR,PHR и PHY образуют пакет PHY.3.6. Характеристика информационного потока сенсорной сетиИсходяизспецификипостроенияиособенностейразмещениябеспроводной сенсорной сети (БСС) (сенсорной телекоммуникационнойсистемы контроля утечек газа – СТС КУГ) на линейном участке магистральногогазопровода, информационные потоки сети имеют следующую структуру(рисунок 3.28).Рисунок 3.28 – Структура информационных потоков в СТСНаибольший интерес вызывает анализ и расчет объема информационногопотока в СТС, фактически вычисления трафика в сети.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
