Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Мікропроцесорна мережа для контролю та управління розповсюдженими об'єктами

Мікропроцесорна мережа для контролю та управління розповсюдженими об'єктами




Дата конвертації15.05.2017
Розмір53.6 Kb.

МІКРОПРОЦЕСОРНА МЕРЕЖА ДЛЯ КОНТРОЛЮ ТА УПРАВЛІННЯ РОЗПОВСЮДЖЕНИМИ ОБ'ЄКТАМИ.
Є.С. Котул., В.О. Абрамов

Київський університет ім. Б. Грінченка, is@kubg.edu.ua
Пропонується проект обмеженої за ресурсами мережі для контролю та управління параметрами об’єктів, які розповсюджені на деякому просторі. Мережа побудована згідно концепції сенсорних мереж і має ієрархічний вигляд з вузлами на мікроконтролерах і спеціалізованих радіомодулях. Вузли виконують функції збору інформації, функції виконання управлінських рішень, а також зв’язку з центральними вузлами обробки інформації і функції маршрутизації інформаційних потоків у мережі.
Обробка інформації́ - вся сукупність операцій (збирання, введення, записування, перетворення, зчитування, зберігання, знищення, реєстрація), що здійснюються за допомогою технічних і програмних засобів, включаючи обмін по каналах передачі даних [6.
Вузли пропонується будувати на відомих популярних мікроконтролерах.

Розповсюджені об’єкти управління досить часто зустрічаються у техніці. Оцінювання їх стану та управління ними досить складна задача. Вона вимагає надійного передавання інформації про стан об’єкту між віддаленими його частинами і узгодженого управління цими частинами. Система управління такими об’єктами має розповсюджений ієрархічний вигляд, що забезпечує узгодженість управління.
Система керування, також Система управління (англ. control system) - систематизований набір засобів впливу на підконтрольний об'єкт для досягнення цим об'єктом певної мети. Об'єктом системи керування можуть бути як технічні об'єкти так і люди.
Крім того, в залежності від кількості функцій центральних і периферичних частин системи управління, вона може бути централізованою або децентралізованою. Децентралізація передбачає передавання частини функцій управління периферійним пристроям. Чим більша децентралізація тім простішими будуть правила управління і відповідні блоки управління. При цьому на кожному рівні ієрархії має бути свій критерій і правила управління, але усі вони мають діяти узгоджено, тобто оптимізувати деякий спільний критерій управління всією системою.

До таких розповсюджених об’єктів управління і відповідних систем управління можна віднести наступні:



  • Промислові енергетичні об’єкти.

  • Промислові виробничі об’єкти.

  • Контроль і керування навколишнім середовищем.

  • Охоронна і пожежна сигналізація.

  • Контроль і керування системами вентиляції, кондиціонування та освітлення.

  • Обладнання розумного дому тощо.

Для забезпечення узгодженого управління розподіленими об’єктами, об’єднання периферійних блоків управління та обміну інформацією між ними на обмеженій території зазвичай використовуються локальні комп’ютерна мережі.
Система пожежної сигналізації - сукупність технічних засобів, призначених для виявлення пожежі, обробки, передачі в заданому вигляді повідомлення про пожежу, спеціальної інформації та (або) видачі команд на включення автоматичних установок пожежогасіння і включення виконавчих установок систем протидимного захисту, технологічного та інженерного обладнання, а також інших пристроїв протипожежного захисту.
Комуніка́ція (від лат. communicatio - єдність, передача, з'єднання, повідомлення, пов'язаного з дієсловом лат. communico - роблю спільним, повідомляю, з'єдную, похідним від лат. communis - спільний) - це процес обміну інформацією (фактами, ідеями, поглядами, емоціями тощо) між двома або більше особами, спілкування за допомогою вербальних і невербальних засобів із метою передавання та одержання інформації.
Але при значний децентралізації управління обсяг трафіку мережі невеликий. Крім того, на об’єктах є багато дрібних джерел і споживачів інформації (датчики, магнітні пускачі тощо), для яких використовувати звичайні мережеві технології не доцільно.
Комп'ю́терна мере́жа - система зв'язку між двома чи більше комп'ютерами. У ширшому розумінні комп'ютерна мережа - це система зв'язку через кабельне чи повітряне середовище, самі комп'ютери різного функціонального призначення і мережеве обладнання.
Тому що обсяги і швидкості передавання інформації дуже малі. Для цих випадків і багатьох інших розроблено дуже перспективну технологію сенсорних мереж [1].

У доклади пропонується проект мережі, яка має структуру, зображену на рис.1. На локальних місцях контроль стану об’єкту управління здійснюється відповідними датчиками, інформація з яких передається на локальний мікроконтролер МК. У мікроконтролері здійснюються алгоритми попередньої обробки інформації і при необхідності приймається управлінське рішення, яке видається у відповідний пристрій на виконання. Загальна інформація про стан об’єкту видається в центральні блоки управління, а від них отримується керуюча інформація, яка враховується в локальних правилах управління.

Для зв’язку між блоками управління використовується бездротова радіомережа. Потужність радіопередавача така, що дальність його дії порівнянна з відстанню між контролерами. Тому мікроконтролери МК крім функцій управління виконують ще і функції транслятора сигналів від сусідніх мікроконтролерів і функції маршрутизаторів. Такі мережі відомі під назвою сенсорні мережі, які мають наступні властивості:


  • Об'єднання великого числа сенсорів в мережу.

  • Низьке споживання енергії длительное время работы,.

  • Самоорганізація мережі.

  • Малопотужні приемо-передатчики 

  • Масштабованість мережі і мобільність візлів.

Радіомережа організована по стандарту ZigBee® - це відкритий стандарт безпровідного зв'язку для систем збору даних і управління. Технологія ZigBee дозволяє створювати бездротові мережі, що самоорганізуються і самовідновлюються, з автоматичною ретрансляцією повідомлень, з підтримкою батарейних і мобільних вузлів.
Енергоспоживання (грец. ἐνέργεια-діяльний, активний) - кількість енергії, яка споживається об'єктом в одиницю часу.
Бездротова мережа - тип комп'ютерної мережі, яка використовує бездротове з'єднання для передачі даних й підключення до мережевих вузлів.
Мережі ZigBee при відносно невеликих швидкостях передачі даних забезпечують гарантовану доставку пакетів і захист переданої інформації.

У мережі ZigBee існує 4 типи вузлів: координатор, роутер, спляче пристрій і мобільний пристрій.

Передача даних (обмін даними, цифрова передача, цифровий зв'язок) - фізичне перенесення даних цифрового (бітового) потоку у вигляді сигналів від точки до точки або від точки до множини точок засобами електрозв'язку каналом зв'язку; як правило, для подальшої обробки засобами обчислювальної техніки.
Смартфо́ни (з англ. smart - розумний, і англ. phone - телефон) - окрема категорія телефонів, які - на відміну від простих стільникових телефонів - мають більше оперативної пам'яті і власний потужний, як для кишенькових пристроїв процесор, працюють під операційною системою Symbian 6.
Головний пристрій в ZigBee-мережі - це координатор.
Головний пристрій (англ. Head unit) - центральна складова частина системи автозвуку або системи домашнього кінотеатру, яка забезпечує єдиний апаратний інтерфейс для різних компонентів електронної системи.
Координатор виконує функції з формування мережі, а також є одночасно довірчим центром (trust-центром). Довірчий центр встановлює політику безпеки і задає налаштування під час підключення пристрою до мережі.

Сплячі і мобільні пристрої використовують режими зниженого енергоспоживання. Як правило, це вузли з батарейним живленням. Зазвичай вони виконують роль датчиків або контролерів будь-яких виконавчих пристроїв. Їх кількість диктується потребою конкретного додатка.

Роутери здійснюють маршрутизацію пакетів по мережі і повинні бути готові до передачі даних в будь-який момент часу.

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Тому ці вузли не використовують режимів зниженого енергоспоживання і мають стаціонарне живлення. Їх кількість в мережі має бути достатнім для обслуговування необхідної кількості сплячих і мобільних вузлів. Максимальна кількість сплячих або мобільних вузлів, що обслуговуються одним роутером - 32.

В даний час технологія ZigBee широко застосовуватися на практиці для створення бездротових мереж датчиків, систем автоматизації будівель, пристроїв автоматичного зчитування показань лічильників, охоронних систем, систем управління в промисловості.

Автоматиза́ція - один з напрямів науково-технічного прогресу, спрямований на застосування саморегульованих технічних засобів, економіко-математичних методів і систем керування, що звільняють людину від участі в процесах отримання, перетворення, передачі і використання енергії, матеріалів чи інформації, істотно зменшують міру цієї участі чи трудомісткість виконуваних операцій.

Приклад структури сенсорної мережі наведений на рис. 1.




Рис. 1. Структура сенсорної мережі.
Основні складові сенсорної мережі це:

  • Датчики аналогові для вимірювання температури, переміщення, кута повороту, тощо.

  • Цифрові датчики з вбудованими АЦП і контактні.

  • Пристрої для виконання управляючих рішень, які пов’язані з двигунами, нагрівачами, освітлюваними пристроями тощо.

  • МК – мікроконтролер-маршрутизатор виконує функції обробки інформації і взаємодії з груповими концентраторами. Зв'язок з датчиками і виконуючими пристроями здійснюється через інтерфейси І2С, SPI, TWI або аналоговий інтерфейс. Зв'язок з концентратором – через радіоканал безпосередньо або шляхом ретрансляції через інші маршрутизатори.  МК представляє невеличку плату, на якій розміщується процесор  Atmel ATmega328, пам’ять — флеш и оперативна, цифро аналогові и аналого-цифрові перетворюючі, радіочастотний пріємопередатчик, джерело живлення и датчики.
    Джерело живлення - елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила.
    Застосовуються також виносні датчики [2]. МК, датчики і виконавчий пристрої складають сенсорно-акторний вузол (САВ), який є основний масовий пристрій мережі.

  • Концентратор (мікроконтролер-шлюз) для зосередження всієї інформації і зв’язку через ІР мережу з центром керування, який обробляє інформацію і управляє об’єктами.

Усі пристрої виконуються на мікропроцесорах і спеціалізованих мікросхемах для організації радіоканалу стандарту ZigBee, дротового каналу І2С або Ethernet каналу [3]. Відстань від маршрутизатора до найближчого маршрутизатора або до концентратора не більше 70 м.

Архітектура сенсорно-акторного вузла зображено на рис. 2.





Рис.2. Архітектура комбінованого сенсорно-акторного вузла.
Вузли мережі реалізуються на вбудованих однокристальних або одноплатних контролерах і спеціалізованих радіомодулях. Приклади цих пристроїв зображено на рис. 3.



Рис. 3. Апаратні засоби для будови сенсорно-акторних вузлів.
Апара́тне забезпе́чення (англ. hardware; сленг. залі́зо) - комплекс технічних засобів, який включає електронний пристрій і, зокрема, ЕОМ: зовнішні пристрої, термінали, абонентські пункти тощо, які необхідні для функціонування тієї чи іншої системи; фізична частина ЕОМ.

Перелік посилань

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_сенсорная_сеть

  2. http://geektimes.ru/post/95011/

  3. http://compress.ru/article.aspx?id=17950