Диссертация (1137248), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В ходе проекта была разработана специализированнаяпрограммно-аппаратная платформа для сенсорных сетей на базе беспроводного модуля NXP Jennic JN5148 [87]. Данные модули на момент разработкиобладали наилучшими характеристиками с точки зрения вычислительныхвозможностей и энергосберегающих режимов.Ниже приведены основные характеристики разработанной аппаратнойплатформы:∙ 32-битный микроконтроллер JN5139/5148.∙ 192kB RAM, 128 kB FLASH.∙ Приемопередатчик, совместимый со стандартом IEEE 802.15.4.∙ Возможность использования сменных модулей с внешней и встроеннойантеннами.∙ Дальность действия: на открытой местности до 4км, в помещениях –200 м.∙ Напряжение питания 2,7-3.6В (2 батареи типоразмеров AA,AAA), питание от солнечных батарей, питание от внешнего источника - 6В.84Полный перечень характеристик приведен в приложении В.В проекте были апробированы модель беспроводной сенсорной сети савтономными источниками питания (2.1), а также метод ее динамическойреконфигурации за счет использования мобильных узлов.Особенностью разработанной системы сбора данных в интралогистикеявляется то, что мобильным элементом выступает не сток, а сенсорные узлы, которые размещаются на конвейере вместе с товарами в контейнерахдля их мониторинга.
В таблице 4.1 приведены контролируемые параметрыи использованные при разработке макета датчики. Для каждого параметрауказана максимальная частота сбора данных в системе (для прототипа из 10узлов использовалась частота в 15 раз меньше максимальной).ПараметрДатчикМаксимальная частота сбора данных,ГцDevices 1000Ускорение (вибрация) AnalogADXL345ОсвещенностьRohm BH1750FVIТемператураSensirion SHT15ВлажностьSensirion SHT15101010Таблица 4.1.
Контролируемые параметры в системе активного беспроводного сбора данныхНа рис. 4.1 показана конвейерная система, установленная в институтеFraunhofer IML в Дортмунде, на которой проводилось тестирование.Мобильность в данном случае является предсказуемой (см. раздел 3.2.1)с той точки зрения, что изначально известно, куда и по какому маршрутубудет перемещен тот или иной сенсорный узел.
Но и в этом случае имеетсявозможность выбора момента, в который будет начата передача данных и ккакому ретранслятору подключится мобильный узел.Был протестирован прототип системы из 10 узлов, приращение временижизни сети (см. далее формулу (4.2)) составило около 10-15%. Более подробно85(а). Складская конвейерная системаFraunhofer IML(б ). Устройство мониторингаРис.
4.1. Тестирование динамически реконфигурируемой БССпроект описан в [8].Рис. 4.2. Платформа NXP/JennicДругим вариантом проведения натурного эксперимента является использование готовых систем на базе беспроводных сетей, изначально разработанных для решения определенных задач. Так в ходе диссертационного исследования был проведен эксперимент на базе оборудования компании, занимающейся охранным мониторингом в Москве (см. приложение A). Ключевойособенностью рассматриваемой охранной системы является то, что потокиданных в ней заранее известны по алгоритму работы узлов и накопленнойстатистике, и, следовательно, можно применить метод динамической реконфигурации сети, описав ее работу с точки зрения мощности, потребляемойустройствами. В системе, на базе которой проводился эксперимент, было 986ретранслирующих и около 4 тысяч оконечных устройств (см.
рис. 4.3).Рис. 4.3. Гистограмма распределения оконечных устройств по 9 ретрансляторамРетрансляторы системы подключены к постоянному источнику питания,однако также оборудованы резервной батареей 12В. Целью эксперимента было исследование возможности увеличения длительности автономной работыретрансляторов системы при аварийном отключении электропитания за счетиспользования метода динамической реконфигурации сети. Реконфигурациязаключалась в смене топологий путем программного управления, последовательность смены определялась в результате решения задачи (3.4).
В итогеудалось добиться увеличения времени жизни отдельных ретрансляторов на25-40%.Однако ни один из вышеперечисленных экспериментов не позволил вполной мере раскрыть весь потенциал использования методов динамическойреконфигурации сети, прежде всего, из-за небольшого размера самой сети(количества ретрансляторов).Наиболее предпочтительным вариантом проведения полноценного натурного эксперимента является использование специализированных аппаратнопрограммных платформ для научных исследований, главным образом из-затого, что они обладают куда большей гибкостью с точки зрения возможных87модификаций протоколов нижнего уровня, необходимых для тонкой настройки переходов устройства между различными режимами своей работы, в томчисле при беспроводной передаче данных.Одними из наиболее успешных исследовательских платформ для БССзарекомендовали себя разработки калифорнийского университета Беркли,ранее поставляемые через компанию crossbow (xbow), а в настоящее время реализуемые фирмой MEMSIC [88].
К ним относятся платформы TelosB(рис. 4.4, а), MicaZ (рис. 4.4, б ), Imote2 (рис. 4.4, в).Все вышеперечисленные решения поддерживают операционную системуTinyOS, разработанную специально для использования в сенсорных сетях.Imote2 является на порядок более производительной платформой, однако, унее хуже характеристики по энергопотреблению.
Все три решения разработаны под стандарт IEEE 802.15.4, при этом в TelosB и MICAZ используютсяприемопередатчики собственной разработки университета Беркли, которыене сертифицированы во многих странах мира, включая Россию. Данный фактявляется серьезным препятствием для их использования в качестве оборудования для натурного эксперимента. TelosB содержит интегрированные датчики температуры, освещенности и влажности, в MICAZ предусмотрен универсальный разъем для плат расширения, за счет чего возможно подключениебольшего спектра датчиков.FireFly Nodes [89] – платформа для беспроводной сенсорной сети, разработанная в лаборатории «Real-Time & Multimedia Systems Lab» Питсбургского университета Carnegie Mellon, США.
Она, как и другие, предназначена длясбора данных, обработки и коммуникаций в mesh-сетях. Однако существенным шагом вперед по сравнению с предыдущими решениями стало внедрениесистемы глобальной синхронизации узлов, обеспечивающей возможность перехода всей сети в режим низкого энергопотребления. Для этого в платформуинтегрирован дополнительный приемопередатчик с низким энергопотребле88(а). TelosB(б ).
MICAz(в). Imote2Рис. 4.4. Платформы Memsicнием. Время работы узлов при питании от батарей составляет 1.5-2 года.К сожалению, данная платформа не вышла за пределы университета в видеготового решения, поставляемого в другие страны мира, и судить о ее преимуществах можно только по работам, опубликованным научной группой [89].Основные характеристики описанных платформ сведены в таблицу 4.2.Рис. 4.5.
Платформа FireFlyПри постановке натурного эксперимента с мобильными сетями неизбежно возникает задача позиционирования их узлов в пространстве. Требованияк точности позиционирования могут быть очень разными - от несколькихсантиметров до десятков метров. Поэтому на сегодняшний день разработаномножество различных методов определения координат передвижных объектов. Рассмотрим основные из них.89ХарактеристикиTelosBМикроконтроллер TI MSP430MICAZImote2AtmelIntelATmega128L PXA271XScaleОЗУ10кб4 кб256 кбПриемопередатчик TPR2400MPR2400TI CC2420Дальностьдей 20-30/ 30 / 75-100 30 / 50-70ствия в помеще 75-100нии / на открытом пространстве,мПотребляемая69/6259/53120/120мощностьприприеме / передаче, мВтПотребляемая331200мощность в режиме сна, мкВтFireFlyAtmelAtmega32L32 кбTI CC242075-100 / 20059/522Таблица 4.2.
Аппаратные платформы для БСС4.2.2. Методы позиционирования мобильных узлов вбеспроводных сетяхВ качестве одного из методов может рассматриваться использованиеинерциальных систем слежения [3]. В этом случае на мобильном устройстве размещаются трехосевые акселерометр, гироскоп и магнитометр.
Путеминтеграции данных со всех датчиков можно последовательно восстанавливать траекторию движения агента, а зная начальную точку движения, вкаждый момент времени иметь его абсолютные координаты. Достоинствамиметода является возможность точного определения координат относительно предыдущей позиции, а также определение ориентации устройства в пространстве. В то же время существенным недостатком является накоплениеошибки абсолютной координаты, поэтому в чистом виде метод никогда неиспользуется. Для периодической корректировки положения дополнительно90применяются другие методы.Одним из методов точного позиционирования мобильных объектов является оптическое распознавание [55].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
