Диссертация (1137266), страница 15

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

Текст из файла (страница 15)

Ожидание для выхода в эфир. После получения команды от главногомикроконтроллера запускается проверка устройства на готовность к передачеданных, происходит анализ необходимости применения определенного алгоритмаработы (обычный, экономный, ночной, дневной), после чего ППУ ждетслучайный промежуток времени.2. Прослушивание эфира.3. Передача данных.4. Ожидание ответа.При отправке сообщения на удаленный беспроводной модуль используетсяпараметрмаксимальногоколичестваретрансляций(NH)дляустановкимаксимального времени ожидания ответа. Обычно значение данного параметра-113устанавливается как NH=1,6 секунды на одну попытку отправки сообщения [89].Так как время передачи пакета данных составляет около30-50 мс, и ещепримерно столько же необходимо на обработку данных, то по умолчанию числоретрансляций может составлять 8-10.

А значит, если модуль не получает ответа втечение 1,6 секунды, то он автоматически делает еще две попытки. Такимобразом, общее время, отводимое стеком на доставку (с подтверждением) одногосообщения, будет 4,8 секунды для сети глубиной в 8 ретрансляций. Если жесообщение отправляется на спящий конечный БМ, то ко времени доставки ещенеобходимо добавить время сна (параметр SP), длительность которого можетдостигать 10 секунд.3.4 РАСЧЕТ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА РАБОТУ СИСТЕМЫОдним из важнейших показателей автономной работы элементов БСТСявляется ее энергопотребление. Предлагаемые в данном разделе техническиеустройства и решения позволяют увеличить время автономной работы системы.При разработке системы электропитания беспроводного модуля использовалисьследующиеаппаратныесредства:аккумулятор,солнечнаябатарея,ветрогенератор, гибридный регулятор.При расчете системы электроснабжения для единичных мотов необходимоучитывать, что одними из самых существенных будут энергозатраты, связанные сработой приемо-передающего устройства.

Таким образом, когда количествонакопленной энергии становится меньше предельного уровня, в том числе и-114заранее прогнозируемое накопление электроэнергии при питании ВИЭ, тосистема переходит на режим сниженного энергопотребления. Поэтому былразработан алгоритм работы ППУ в зависимости от режима работы контроллеразаряда аккумулятора (рисунок 3.13).1Начало2Получение данных от ЧРВДа3T1<T<T248Анализ данных от КЗА5Да6Запуск циклаработы С1ТребуетсяограничениемощностиАнализ данных от КЗАДа710Запуск циклаработы С29Требуетсяограничениемощности11Запуск циклаработы С3Запуск циклаработы С412КонецРисунок 3.13 - Алгоритм ограничения мощности ППУОсновное отличие разрабатываемой системы от существующих в том, что,так как моты будут устанавливаться в отдаленных труднодоступных местах подвоздействием экстремальных факторов окружающей среды (низкие и высокиетемпературы, осадки и пр.), ограничение потребляемой мощности являетсякрайне необходимой задачей, позволяющей значительно повысить срок службыустройства в части передачи данных об утечки газа.-115Первым делом блок 2 получает данные от ЧРВ для определения текущеговремени сетом, что в дальнейшем будет использоваться для переключения на тотили иной режим работы ППУ.

Блоком 3 проводится сравнение реального временис заданным интервалом T1  T  T2 , где T1 и T2 являются средним временем начала иконца светлого времени суток и зависят от выбранного региона размещениясистемы. Если текущее время находится в данном интервале, то запускаютсядневные режимы работы, если нет, то – ночные.Затем блоки 4 и 8 анализируют полученные данные от КЗА. Процесс данногоанализа описан ниже. В случае, когда в общий микроконтроллер пришел сигналот КЗА об ограничении потребляемой мощности, то он записывается вовременную память и хранится там до того момента, пока ППУ не обратится к этойячейке, после чего она стирается (обнуляется).

Данные представляют собойтолько сам факт необходимости ограничения, то есть 0 – ограничение нетребуется, 1 – требуется. Таким образом, в зависимости от того, какое значениебыло записано в заданную ячейку памяти, блоками 5 и 9 определяетсянеобходимый режим работы:1.Блок 6 запускает дневной режим экономии энергии С1. Во времяработы данного режима отключается вся работа беспроводного модуля, заисключением контроллера заряда и алгоритма ограничения мощности, а всянакопленная энергия расходуется только на ежедневный выход в эфир дляпередачи.

Суточный расход электроэнергии будет составлять:inetr trrs rssl slWC1  nde Pts s  ( Pkza  Pn )(T2  T1 )  nrtm ( Prtmtrtm  Prtmtrtm )  Prtmtrtm (3.17),где ned, nertm – количество включений ДУМ и ППУ соответственно в светлоевремя суток в интервале времени T1  T  T2 при экономном режиме работы, Pnin суммарные внутренние потери системы, Pkza - потери на функционирование КЗА,trrsslPrtm, Prtm, Prtm-мощность ППУ в режиме передачи, приема данных и снаtrrssl, trtm, trtmсоответственно, trtm- время работы ППУ в режиме передачи, приемаsletrrs T1  T2  nrtm(trtm trtm).данных и сна соответственно, trtm-116-2.Блоки 7 и 11 запускают обычный дневной (С2) и ночной (С4)соответственно режимы работы, то есть БМ функционирует без каких-либоограничений мощности.

Периодичность работы БМ определяется работойследующих основных устройств: ДУМ, ППУ и КЗА. Пример посуточногоалгоритма работы БМ представлен на рисунке 3.14. - из представленной схемыследует, что в светлое время суток, когда солнечная энергия будет интенсивнозаряжать АКБ, БМ будет включаться через каждые 2 часа, а в темное время сутокдостаточно трех тактов контроля, через 4 часа.

В итоге БМ будет работать втечение суток 9 раз, начало суточного цикла в 1400 часов.Рисунок 3.14 - Время работы БМВ данных режимах работы суточный расход электрической энергии:inntr trrs rssl slWс 2  ndn Pts s  ( Pkza  Pn )(T2  T1 )  nrtm ( Prtmtrtm  Prtmtrtm )  Prtmtrtm (3.18),где nnd, nnrtm – количество включений ДУМ и ППУ соответственно в светлоевремя суток в интервале времени T1  T  T2 при номинальном режиме работы, Ps суммарнаямощностьДУМипотеринаегофункционирование,ts -продолжительность единичного включения ДУМ.inntr trrs rssl slWс 4  mdn Pts s  ( Pkza  Pn )(T2  T1 )  mrtm ( Prtmtrtm  Prtmtrtm )  Prtmtrtm (3.19),где mnd, mnrtm – количество включений ДУМ и ППУ соответственно в темноевремя суток в интервале времени T2  T  24  T1 .А значит, в случае, когда количество накопленной и прогнозируемой кнакоплению электроэнергии достаточно для работы ППУ в нормальном режимеработы – без ограничений потребления – суточный расход составит:-117-Wmax  WC 2  WC 4 (3.20)или, принимая во внимание, что (n  m)  9 , но данное значение может бытьизменено в зависимости от дополнительных требований к точности измерения.intr trrs rssltrrsWmax  9Pts s  ( Pkza  Pn )24  Prtmtrtm  Prtmtrtm  Prtm (24  trtm  trtm ) (3.21).3.Блок 10 запускает ночной режим работы ППУ (С3), когдаотключается ДУМ и ППУ, а вся накопленная энергия максимально экономитсядля дневного выхода в эфир.

В данном режиме, помимо вспомогательных системи основного микроконтроллера, работает только КЗА. Расход энергии будетсоставлять:slWC 3  ( Pkza  Pnin  Prtm)(24  T1  T2 ) (3.22).Таким образом, представленный выше алгоритм ограничения потребляемоймощностиППУпозволяетрасходоватьнакопленнуюэлектроэнергиювзависимости от текущей мощности доступных источников электроэнергии исредней продолжительности светлого времени суток. А экономия электроэнергиипри снижении потребляемой мощности по отношению к полноценномуфункционированию системы составит:Wec  Wmax  Wmin , где Wmin  WC1  WC 3 (3.23).Ограничение мощности передачиКак было описано ранее, когда беспроводной модуль не может связаться сближайшим после определенного количества попыток, то адрес получателяизменяется на следующий и начинается передача ему и так далее.

Поэтомунаиболее целесообразным представляется изменение мощности передатчика взависимости от требуемой дальности связи.Максимальное расстояние между двумя проекциями ближайших друг к другубеспроводных модулей на ось, направленную вдоль линии магистральногогазопровода, составляет, согласно представленным ранее расчетам, H max ;расстояние от беспроводного модуля до трубы не должно превышать Dmax .-118Следовательно, при размещении модулей по одну сторону от магистральногогазопровода требуемая дальность канала связи между двумя ближайшимимодулями не будет превышать H max . Однако в случае установки модулей поразные стороны от газопровода данное расстояние составит2  D2R 4 Н maxmax (3.24), что видно из рисунка 3.15.maxDmaxHmaxRmaxHmaxРисунок 3.15 - К расчету дальности связи между БМТак как в качестве требований к системе была заложена способностьпередатчика каждого беспроводного модуля установить канал связи с десятым посчету от него модулем, то в этом случае самое дальнее расстояние будет, когдапервый (передающий) и десятый (принимающий) располагаются по разныестороны от газопровода, а значит, предельная дальность устойчивого канала связидолжна быть равна:R (nDmax )2 (2H max )2 (3.25)limили в общем виде n-го количества БМR  ((n 1)Dmax )2 (2H max )2 (3.26).-119Следовательно, передатчик ППУ должно быть способен передавать данныена расстояние Rmax  R  Rlim .Чувствительность приемника ППУ вычисляется по формуле [21, 67, 85]:P ' G G  2(3.27),P '  tr tr  rsrs 4  R 24где Gtr , Grs - коэффициент усиления антенны приемника и передатчикасоответственно;P ' - излучаемая антенной мощность передатчика;rs  c / f - длина радиоволны при несущей частоте передачи fn.nТак как чувствительность приемника при изменении дальности связи вданном случае не должны меняться, то:P 'tr1Gtr Grs  2 P 'tr 2 Gtr Grs  2444  R124  R22(3.28).Следовательно, имеет место следующая зависимость изменения мощности,излучаемой антенной передатчика, от изменения дальности связи:P 'tr1 P 'tr 2(3.29).R12R22Данная форма действительна при условии отсутствия затухания сигнала.

Нов реальных условиях следует учитывать потери мощности в радиоканале, равные:L  20  lg(4 R)(3.30).С учетом данного факта зависимость изменения мощности от дальностивыражается в виде:P 'tr1P 'tr 2R12 L1 R22 L2 (3.31).Таким образом, как и было описано ранее, ППУ всех модулей включаются nраз в сутки в строго определенный момент времени t0 +- погрешность(отклонения) внутренних часов (tпогр). Первый модуль К1 через время, равное-120максимальной погрешности внутренних часов, начинает передавать к К2 пакетданных с заполненными соответствующими разрядами пакета данных и ожидаетот него обратного ответа с также заполненными разрядами (рисунок 3.16).Текущий уровень мощности P 'tr1 передающего устройства достаточен дляустойчивой передачи данных до соседнего БМ.

Если после n количества попытоквыйти на связь от K2 ответ не приходит, то К1 увеличивает свою мощность доP'и передает пакет к следующему БМ – К3, ожидая от него ответа, и т.д.tr 2T5T1T4K2R2R1K1T2K3K4KnT3Магистральный газопроводРисунок 3.16 - Изменение дальности передачи данныхЧерез время T откл (T1T2 T3 T4 ) модуль К1, если полученный от К2 пакетданных соответствует хранящемуся в памяти (сравниваются только нечетныеразряды пакета данных), отключается до следующего планового выхода в эфир.-1213.5 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3В главе представлены алгоритмы функционирования сенсорного модуля,позволяющие, в отличие от известных, обеспечить учет влияния внутреннихпараметров устройства (степень заряженности аккумулятора, уровень доступноймощности от источников энергии, условий окружающей среды, времени суток исезона), позволяет повысить его эксплуатационные характеристики за счетвведения дополнительных контролируемых параметров в процессе зарядааккумулятора и управлять мощностью передатчика в зависимости от изменений втопологии беспроводной сенсорной телекоммуникационной сети «точка-точка»,вызванных отказами промежуточных модулей.-122ГЛАВА 4.

Характеристики

Список файлов диссертации