ДП_поясняк (1231259), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

и длины поезда

Как видно, с помощью установки одной метки на кривой по ходу движении состава по перегону, можно, в пределах действия приемопередатчиков, контролировать состав в движении.

Установка радио меток на границах станции и переездов позволяет контролировать проследование поездом участков приближения и удаления, а интеграция модуля в аппаратуру релейных шкафов (РШ) сигнальных точек делает возможным считывать диагностическую информацию о состоянии устройств РШ, при проезде головы состава сигнальной точки. Далее принятую информацию можно передать в единый центр управления движением. То есть, можно организовать мониторинг перегонных устройств, определять предотказные состояния, применять новые методы технического обслуживания.

1.1.3 Особенности беспроводных сетей

1.1.3.1 Требования к беспроводным сетям и выбор протокола

При выборе беспроводной технологии для сетей промышленного применения необходимо учитывать:

• интенсивность обмена данными;

• возможность использования автономных источников электропитания большой емкости;

• топологию построения радиосети, необходимость обеспечения избыточности связей, а также возможности самоорганизации сети для повышения ее надежности;

• большое количество оконечных устройств и датчиков.

В диапазоне 2.4 ГГц на сегодняшний день широкое распространение получили несколько технологий беспроводной передачи данных, основанных на семействах стандартов IEEE 802.11 и 802.15. В таблице 1.1 приведены основные характеристики популярных стандартов беспроводной связи.

Технология Wi-Fi основана на стандарте IEEE 802.11. В ее основу положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных локальных вычислительных сетей (ЛВС). Технология позволяет иметь доступ к сети мобильных устройств, но имеет высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей [2].

Таблица 1.1 – Сравнение стандартов IEEE 802.15 и 802.11

Технология Bluetooth, основанная на стандарте IEEE 802.15.1, определяет функционирование компактных систем связи на небольших расстояниях между мобильными персональными компьютерами, мобильными телефонами и иными портативными устройствами. Bluetooth представляет собой недорогой радио-интерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов. Изначально дальность действия радио-интерфейса закладывалась равной 10 м, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена, и вторая зона около 100 м. Bluetooth работает как многоточечный радиоканал, управляемый аналогично сотовой связи GSM [4].

Технология nanoNet, основанная на стандарте IEEE 802.15.4a, является частным решение для построения беспроводных сетей, разработанным компанией NanotronTechnologies. Ширина частотного канала, которая используется в приемопередатчиках, намного больше, чем та, которая используется в технологиях ZigBee и Bluetooth и составляет 64 МГц. Это дает возможность работы на высоких скоростях и с повышенной надежностью передачи данных, даже если уровень помех превышает стандартные значения [6].

Таким образом, существующие беспроводные персональные сети, такие как Bluetooth и Wi-Fi недостаточно просты и дешевы для задач, где не требуется передавать большие объемы информации, но важны прежде всего экономичность, автономность, надежность. Также технологии Bluetooth и Wi-Fi позволяют создавать сеть топологии, не подходящей для мониторинга. В связи с этим и был разработан стандарт ZigBee.

1.1.3.2 Обзор стандарта ZigBee

ZigBee — стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей. Топология сетей ZigBee это распределенная, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. За счет способности узлов ретранслировать сообщения от одного элемента к другому область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров. Узлы беспроводной сети ZigBee состоят из микроконтроллеров, снабженных сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в выделенном радиодиапазоне. Успехи микроэлектроники позволили объединить приемопередатчик и управляющий микропроцессор на одном кристалле, образовав универсальный элемент — беспроводной микроконтроллер (МК). В соответствии со стандартом 802.15.4 ZigBee к радиочастотной части МК для выделенного в России диапазона частот для ZigBee 2,4 ГГц (решение Государственной комиссии по радиочастотам РФ в мае 2007 г. о свободном использовании данного диапазона при мощности менее 100 мВт) предъявляются следующие требования:

- 16 частотных каналов в диапазоне 2400–2483,5 МГц;

- полоса частот канала 5 МГц;

- максимальная скорость 250 кбит/с;

- тип модуляции O-QPSK;

- номинальная выходная мощность 0 дБм (1 мВт),

- чувствительность приемника –85 дБм;

- дальность действия 10–100 м;

- размер стека 4–32 кбайт;

- срок службы батареи 100–1000 дней;

- число узлов сети 65536 (16-разрядные адреса) [5].

Данные от отдаленных узлов передаются по сети от узла к узлу по радиоканалу на шлюз и далее по локальной сети на сервер, где собранные данные обрабатываются, хранятся. Преимущества такой организации обмена данными заключается в следующем:

-отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;

-низкая стоимость комплектующих, монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;

-быстрота и упрощенность развертывания сети;

-надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов;

-возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования.

ZigBee поддерживает сложные топологии сетей, в которых данные от конечного узла могут идти в центр сбора не только напрямую, но и через промежуточные узлы. За счет этого дальность связи может быть весьма значительной, несмотря на короткий радиус действия отдельных устройств. В сети теоретически может быть объединено до 65 тыс. устройств, поскольку возможна 16-разрядная адресация узлов (2¹⁶=65536). В расширенном варианте разрядность адресов может быть увеличена до 64. Таким образом, можно организовать сложную меш-сеть.

Замечательной особенностью сети ZigBee является сохранение ее работоспособности в случае появления или исчезновения какого-либо узла. Это свойство основано на том, что каждый узел следит за своими «соседями», постоянно обновляя маршрутные таблицы на основе оценки мощности, принятых от них сигналов. В результате при изменении пространственного расположения «соседей» или удалении из сети одного из устройств вычисляется новый маршрут следования сообщения [6].

1.1.3.3 Анализ и подбор устройств, работающих в протоколе ZigBee

В настоящее время сети ZigBee широко применяются в промышленной автоматизации. Но стоит отметить, что отечественное производство не предлагает ни каких устройств, работающих по стандарту ZigBee, в замен зарубежным аналогам. Соответственно были изучены устройства зарубежных известных фирм.

Компании предлагают довольно широкий выбор устройств, которые можно разделить по следующим категориям:

-одночиповые решения;

-приемопередатчики;

-модули.

Одночиповые решения – это устройства, выполнены в виде интегральной микросхемы на одном кристалле. Устройство обеспечивает весь логический набор функций, но характерно отсутствием физической составляющей, и требует внешней гарнитуры связи.

Приемопередатчик выполнен в виде отдельного законченного устройства и имеет в своем составе весь функционал, как физической составляющей, так и программно-логической на уровне MAC и PHY, согласно стандарту ZigBee. Но для полнофункциональной работы такого устройства необходимо внешнее хост устройства, то есть устройство управления, которое будет выполнять задачу организации уровня приложения.

Модули выполнены в виде отдельного законченного устройства и имеют в своем составе весь функционал, как физической составляющей, так и программно-логической на всех уровнях сетевой модели, согласно стандарту ZigBee. Наиболее удобны, для быстрой интеграции в существующую сеть и организации новой, а также отличаются большим функционалом и качеством связи.

Компания Microchip помимо устройств сети, предлагает устройства для анализа сети, отладки, стек протокола ZigBee и стек упрощенного протокола MiWi, а также руководство по пользованию.

Таким образом, дальнейшие исследования будут проводиться с использованием продуктов компании Microchip [6].

1.1.3.4 Программное обеспечение и устройства, поставляемые компанией Microсhip

Для более подробных исследований и практического изучения был выбран модуль MRF24j40ma компании Microchip, а также стек упрощенного протокола MiWi.

Микропроцессорный модуль MRF24J40ma выполнен на плате размером 18х28 мм и состоит из Антенны, микропроцессора MRF24J40, кварцевого резонатора на 20 Мгц и обвязки.

Рисунок 1.3 - Микропроцессорный модуль MRF24J40ma

Из особенностей можно выделить то, что модуль поддерживает беспроводные сетевые протоколы ZigBee®, MIWI ™ и другие пользовательские протоколы, где требуется низкая потребляемая мощность для долгой работы от батарей. Работает модуль под управлением простого последовательного интерфейса (SPI), имеет низкое потребление тока, малый размер габаритов. Модуль имеет наличие специальных буферов на отправку и прием пакета данных, длина которого до 128 байт вместе со служебной информацией. Автоматическое определение коллизии при (CSMA-CA), проверка контрольной суммы пакета (CRC-16), автоматическая отсылка подтверждения о приеме пакета (если требуется), пересылка, встроенное шифрование пакетов (AES-128) позволяет организовать передачу информации со скоростью до 250 кбит/с., с относительно высокой степенью достоверности и безопасности передачи [3].

Обслуживание и эксплуатация облегчены наличием специальных встроенных инструментов и методов контроля и диагностики модуля. Модуль контролирует и сигнализирует о снижении напряжении в шине питания, контролирует качество сигнала (RSSI). Низкое потребление, функция спящего режима, и режим работы по тайм слотам позволяет работать длительное время от местного автономного питания. Модуль может работать в режимах координатора, конечного устройства или ретранслятора, под управлением внешнего хост-устройства с использованием интерфейса SPI.

Характеристики

Список файлов ВКР