Диссертация (1137266), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Приоритетность в данном случае не влияет на требуемуюмощность источников энергии: и ВГ, и СП должны быть рассчитаны на полнуюнагрузку системы.Данный процесс определения приоритетного источника должен проводитьсядо установки системы, то есть еще на этапе проектирования и программированияконтроллера беспроводного сенсорного модуля. Таким образом, в зависимости отместности и соотношения получаемой энергии от ветра и Солнца системауправления зарядом будет знать, на какой из источников энергии следуеториентироваться в первую очередь.-105-3.3ПЕРЕДАЧА ДАННЫХСтруктурная схема мота представлена на рисунке 3.7 и является идентичнойпо отношению к каждому из используемых типов сенсоров: ДУМ – датчик утечкиметана (первичный преобразователь); НУ – нормирующий усилитель; ЧРВ – часыреального времени; МК – микроконтроллер; ППМ – приемопередающий модуль;КЗА – контроллер заряда АКБ (аккумуляторная батарея).Рисунок 3.7 - Структурная схема мотаОборудование, рекомендованное стандартом EEE 802.15.4b, на основекоторого построены все основные протоколы БСТС (Zigbee, WirelessHART и др.),может работать в трех частотных диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в СШАи 2,4 ГГц во всем мире.

В диапазонах 868 МГц и 915 МГц полосы используютсятри дополнительных схемы модуляции: двоичная фазовая манипуляция BPSK,квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом OQPSK и технология расширенияспектра методом параллельных последовательностей (Parallel Sequence SpreadSpectrum, PSSS), что показано в таблице.-106-В зависимости от схемы модуляции радиооборудование может поддерживатьразличные скорости передачи данных: 250 кбит на частоте 2,4 ГГц, от 20 кбит до250 кбит на частоте 868 МГц и от 40 кбит до 250 кбит в диапазоне 915 МГц.Центральные частоты этих каналов fc определяются следующим образом: fc = 868,3 [МГц], k = 0; fc = 906+2(k-1) [МГц], k = 1, 2,…, 10; fc = 2405+5(k-11) [МГц], k = 11, 12,…, 26,где k - номер канала.Особенностью устройств, объединённых в сеть по стандарту IEEE 802.15.4,является низкое энергопотребление за счёт перехода трансивера в режим"засыпания" при отсутствии данных для пересылки и сохранении подключения вэтом режиме.

При разработке стандарта основной акцент делался на быстротупроцессов конфигурирования и реконфигурирования. В частности, переходприемника в активное состояние длится порядка 10-15 мс, а подключение к сетиновых устройств – от 30 мс. При этом длительность реконфигурации иподключенияустройствзависитотпостоянства«прослушивания»маршрутизаторами сети.Также стандартом IEEE 802.15.4 используется схема распределенногодоступа к общей среде передачи CSMA/CA.

Согласно ей всякий раз, когдаустройство собирается выйти в эфир для передачи данных, оно сперва ожидаетнекий случайный промежуток времени, а после чего уже определяет занятостьканала (Clear Channel Assignment – CAA). Также в данном стандарте определеноследующее время ожидания:-107twait  Raubp (3.14),где R – это целое, выбранное случайным образом число из диапазона0...2BE  1 .

По умолчанию показатель степени ВЕ всегда равен 3.aubp - является константой, равной 20 символьным периодам (UBP – UnitBack Off Period). Во всех редакциях стандарта IEEE 802.15.4 для диапазона частот2,4 ГГц один символьный период равен 16 мкс.Далее, если канал свободен, устройство передает данные, в противном случаевыбирается новое время ожидания. В худшем случае время ожидание может бытьравно 2,24 мс, когда R=7.Время прослушивания канала для определения его занятости tCCA всегдапостоянно и равно восьми символьным периодам или 128 мкс.Формат кадраФормат кадра, используемого в стандарте IEEE 802.15.4, изображен нарисунке 3.7 [91, 88].Рисунок 3.7 - Формат кадров физического и канального уровнейстандарта IEEE 802.15.4Стандартом оговорена максимальная длина кадра физического уровняAmax phy 127 байт.

Максимальный размер полезной части кадра (полезнойнагрузки) зависит от длины служебных полей кадра. Таким образом, если-108используется минимальный размер поля адреса (4 байта), то максимальныйразмер полезной нагрузки будет составлять 112 байт. А при максимальной длинеадресной части полезная нагрузка уже составит 96 байт.Также стандартом оговорена и скорость передачи данных в частотномдиапазоне 2,4 ГГц, равная f = 250 кбит/с. А значит, время, необходимое дляпередачи одного пакета данных, можно определить по формуле:tdata LO(3.15),fгде L – размер пакета в битах, О (overhead) – размер служебных полей бита.Поле данных, в которых накапливается информация о работоспособностиБМ и факте обнаружения утечки, состоит из 96 байт при условии максимальнойдлины адресной строки, значит, это соответствует максимум 768 битам двоичныхданных, а, следовательно, до 384 БМ, объединенных в одну систему.На рисунке 3.8 представлен пакет данных полезной нагрузки от n-гоколичества беспроводных модулей.

На каждый i-ый модуль выделяется по дваразряда (бита) в пакете данных, в которые он записывает:- в Ki1: 1 – модуль исправен, 0 – модуль неисправен;- в Ki2: 1 – за время после последнего выхода в эфир была зарегистрированаутечка газа, 0 – утечки зарегистрировано не было.K11 K12 K21 K22 K31 K31Ki1 Ki2Kn1 Kn2Рисунок 3.8 - Пакет данных полезной нагрузки от БМЕсли после определенного количества попыток передачи данных от модуляприемника (i) так и не последовало ответа, то модуль-передатчик (i-1) заполняет врегистры, соответствующие модулю-приемнику, Ki1=0, Ki2=0 (что соответствуетнеисправностиданногоследующему модулю.модуля),азатемначинаетпередаватьданные-109-Прием подтвержденияКак правило, кадр подтверждения приема данных состоит из 11 байт(рисунок 3.9) [88, 91].Используя формулу для определения времени передачи пакета данных,можноопределитьвремяпередачиподтверждения:tack = 0.352.Также перед отправкой всегда присутствует задержка в примерно 192 мкс –среднее время, необходимое для переключения устройства из режима приёма врежим передачи.

Кроме того, чтобы дать устройствам достаточно времени наобработку полученных данных, стандартом оговорены следующие минимальныезадержки после кадра подтверждения:- Для кадров длиной до 18 байт – 18 символьных периодов (288 мкс);- Для кадров длиной более 18 байт – 40 символьных периодов (640 мкс);Рисунок 3.9 - Формат кадра подтвержденияКак правило, эти задержки покрываются во время подготовки к передаченового кадра.В итоге при передаче каждого кадра устройство проходит четыре различныхстадии: пассивного ожидания (Wait), прослушивания канала (ССА), передачикадра (DATA) и приема подтверждения (ACK).

Следует отметить, что подобнаяпоследовательность характерна для всех стандартов, использующих механизм-110CSMA/CA. На рисунке 3.10 приведена диаграмма распределения временинахождения устройства в разных стадиях при различных значениях R.R=3R=7Рисунок 3.10 - Распределения времени по стадиям передачи пакетав сети стандарта IEEE 802.15.4Данное распределение является достаточно важным для сенсорных сетей сточки зрения понимания и сопоставления каждого этапа передачи данных ипотребляемой мощности. Сопоставление представлено в таблице 3.1.Таблица 3.1 - Соответствие стадий передачи пакетаи режима работы устройства БСТССтадия передачиРежим работыWAITАктивныйCCAПриемDATAПередачаACKПриемСледовательно, общую мощность, затрачиваемую устройством на передачуданных, можно определить по формуле:rs  Pa twait  Prx tCCA  Ptx tdata  Prx t ACKPrtmrstrtm(3.16),-111-rsгде trtm  twait  tCCA  tdata  t ACK .При использовании протоколов передачи данных, позволяющих реализоватьсамоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся беспроводную сенсорнуюсеть, в мониторинговых системах магистральных газопроводов необходимоучитывать, что базовая станция (или маршрутизатор) может располагаться вдесятках километрах от сенсорных устройств (рисунок 3.11).В качестве физического уровня протокол WirelessHART используетсяразработанные в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4 радиомодули, которыеуже получили достаточно широкое распространение в беспроводных сетях(ZigBee), что является одним из преимуществ данного решения.T5T1T4T2K1K2K3K4KnБазовая станцияT3Магистральный газопроводРисунок 3.11 - Распределенная беспроводная сенсорная сетьдля мониторинга состояния МГОднако, если обычная WLAN сеть создает только двухточечное соединение,WirelessHART использует сеть с одноуровневым кодированием, при которомформируется сеть, где все радиомодули одновременно служат и приемником, ипередатчиком сигнала.

Начальный модуль отправляет данные ближайшему,который пропускает сигнал дальше до тех пор, пока сообщение не достигнетбазовой станции. Таким образом, удается покрыть достаточно большую площадь.На случай, если сообщение не сможет быть доставлено, например, из-занеисправности приемника или наличия какого-либо препятствия, на этапеинициализации устанавливаются альтернативные маршруты. Поэтому сообщениебудет автоматически передано по альтернативному пути.

Данный подход-112дополнительно увеличивает надежность системы при большой протяженностилинии сенсорной сети.В этом случае каждый мот системы выступает в качестве и приемопередающегоустройства,имаршрутизатора,чтоможетнакладыватьдополнительные требования к алгоритмам функционирования и надежностиузлов.Как было описано выше, процесс передачи данных разделяется на несколькоэтапов (рисунок 3.12):Рисунок 3.12 - Алгоритм передачи данных между модулями1.

Характеристики

Список файлов диссертации