Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В современном мире актуальной проблемой является безопасность дорожного движения, что приводит к необходимости использования самых современных технологий сбора и обработки информации об окружающей среде с целью повышения безопасности движения и внедрения различных систем автопилотирования транспорта. Для этих целей применяют различные автоматизированные системы мониторинга окружающей среды.

Целью работы является разработка системы интеллектуализации транспортных средств. Идея разработки заключается в создании автономной системы способной собирать данные окружающей среды, хранить их и в случае необходимости передавать данные пользователю.

Для реализации проекта необходимо:

  1. Провести анализ аппаратных платформ и технологий взаимодействия систем с пользовательским интерфейсом.
  2. Разработать систему на основании выбранной аппаратной платформы.
  3. Разработать программное обеспечение для системы сбора и обработки информации об окружающей среде.

1. Актуальность темы

Дорожное движение в настоящее время следует рассматривать как одну из самых сложных составляющих социально экономического развития городов и регионов, что приводит к необходимости использования самых современных технологий сбора и обработки информации об окружающей среде с целью повышения безопасности движения и внедрения различных систем автопилотирования транспорта.

Ведущие производители транспортных средств занимаются исследованиями в области систем управления транспортом, в которых средства связи, управления и контроля изначально встроены в транспортные средства и объекты инфраструктуры, а возможности управления (принятия решений) на основе информации, получаемой в реальном времени, доступны не только транспортным средствам, но и всем пользователям транспорта [1].

2. Анализ существующих систем интеллектуализации транспортных средств

Мировым транспортным сообществом решение найдено в создании уже не систем управления транспортом, а систем, в которых средства связи, управления и контроля изначально встроены в транспортные средства и объекты инфраструктуры, а возможности управления (принятия решений), на основе получаемой в реальном времени информации, доступны не только транспортным операторам, но и всем пользователям транспорта. Задача решается путем построения интегрированной системы: люди — транспортная инфраструктура — транспортные средства, с максимальным использованием новейших информационно-управляющих технологий. Такие «продвинутые» системы и стали называть интеллектуальными [1].

Начиная с 80-х годов большинство стран Европы, Азиатско-Тихоокеанского региона и США целенаправленно и систематически продвигают ИТС в качестве центральной темы в осуществлении транспортной политики [1].

Одно из основных направлений развития ИТС в Европе, США и Японии, которое активно продвигается последние 15 лет — реализация концепции интеллектуального автомобиля. Работает международная программа «Транспортные средства повышенной безопасности». Уже первые опыты использования бортовых интеллектуальных систем показали, что они способны уменьшить число ДТП на 40%, а число ДТП со смертельным исходом на 50% [2].

Под термином «бортовые интеллектуальные системы» в ООН понимают системы, установленные на автомобиле в целях повышения его безопасности и использующие информацию, которая поступает как непосредственно от бортовых датчиков автомобиля, так и от дорожной инфраструктуры или других источников [1].

В настоящее время уже находятся в продаже или проходят полигонные испытания более десяти типов бортовых ИТС — Система поддержания дистанции в плотном транспортном потоке; Система удержания автомобиля на полосе; Система оповещения об усталости водителя; Система предотвращения боковых столкновений; Система удержания автомобиля при движении по кривой; Система обнаружения мотоциклистов [1].

Бортовые ИТС реализуют, как минимум, четыре функции:

  1. Оказывают водителю помощь в предвидении дорожной обстановки.
  2. Побуждают его к действиям по предотвращению опасной ситуации.
  3. Снижают утомляемость водителя, принимая часть нагрузки по управлению автомобилем на себя.
  4. Автоматически берут управление на себя, если водитель самостоятельно не смог выполнить необходимые действия по предотвращению ДТП, либо снижая тяжесть его последствий.

Сегодня в Японии ИТС-оборудование устанавливается как штатное на всех автомобилях высокого и среднего класса. Объем продаж постоянно растет.

С 2000 года общество стало ощущать результаты от развертывания ИТС.

Водители получили автомобили, оснащенные средствами безопасности, новые технологии и информацию о поездке и о дорожном движения в реальном времени [1].

Правительственные агентства увидели новые возможности систем контроля и управления дорожным движением в реальном времени.

В России, несмотря на отсутствие до настоящего времени планомерных работ по комплексному развитию ИТС, существует достаточно много примеров попыток развития локальных элементов и систем, относящихся по современной терминологии к ИТС [1].

В настоящее время в России достаточно активно разрабатываются отдельные разрозненные элементы ИТС, что диктуется текущими потребностями рынка, а не долговременной стратегией. Наблюдается четыре процесса, связанных с развитием ИТС:

  1. Разработка различными предприятиями и организациями собственных моделей ИТС.
  2. Адаптация зарубежной и отечественной радиоэлектронной аппаратуры.
  3. Предоставление локальных услуг (в основном мониторинга и дистанционной охраны автотранспорта) на основе разработок зарубежных фирм.
  4. Широкая продажа бортовых комплексов сухопутной навигации и комплектующих.

Сегодня наиболее активно развиваются базовые технологии для транспортной инфраструктуры и транспортных средств:

  1. Управление движением на автомагистралях.
  2. Коммерческие автоперевозки.
  3. Предотвращение столкновений транспортных средств и безопасность их движения.
  4. Электронные системы оплаты транспортных услуг.
  5. Управление при чрезвычайных обстоятельствах.
  6. Управление движением на основной уличной сети.
  7. Управление ликвидацией последствий ДТП.
  8. Контроль погоды на автомагистралях;

3. Аппаратная платформа системы интеллектуализации транспортных средств

Разрабатываемая система интеллектуализации транспортных средств предназначена для определения параметров окружающей среды (температура, влажность воздуха, освещение и атмосферное давление) и передачи на мобильное устройство с помощью беспроводной технологии.

Для подключения датчиков, которые измеряют параметры окружающей среды, в настоящее время применяют различные аппаратно-программные платформы на базе различных микроконтроллеров.

Система сбора и обработки информации об окружающей среде включает в себя (рис. 1):

  1. Устройство связи.
  2. Датчик температуры.
  3. Датчик влажности.
  4. Датчик освещения.
  5. Датчик атмосферного давления.
  6. Устройство обработки данных.
  7. Устройство тестирования.
Структурная схема устройства

Рисунок 1 – Структурная схема устройства
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 26 килобайт)

В настоящее время существуют следующие платформы:

  1. Arduino.
  2. Raspberry Pi.
  3. Intel Galileo.

3.1 Платформа Arduino

Arduino представляет собой плату с контактами для подключения дополнительных компонентов. Технические характеристики устройства зависят от модели используемого микроконтроллера. На базе Arduino можно создавать автономные и подключаемые к другим устройствам проекты [3].

Программный код записывается на саму плату, благодаря встроенному в процессор программатору. Однако проект может выполняться с другого устройства, используя проводные или беспроводные каналы связи [4].

При их отсутствии можно приобрести дополнительные модули, добавляющие новые функции. Большая открытая база готовых проектов и чертежей CAD открывает большие возможности для углублённого изучения среды, порождая новые идеи для собственного устройства [3].

Рынок дополнительных плат постоянно обновляется, появляются новые разработки. Этому способствует полностью открытая архитектура устройства.

Преимущества:

  1. Arduino IDE основан на AVRGCC. Зная C++ не потребуется изучать новый язык программирования.
  2. Возможность программировать, обмениваться данными и питать плату при помощи одного USB кабеля.
  3. Большое количество стандартных библиотек, благодаря которым можно написать простейшую программу без большого опыта программирования.

Недостатки:

  1. Мало вариантов решения. В случае необходимости большего количества памяти необходимо будет подключать плату расширения памяти либо искать платформу с большим количеством памяти.
  2. Отсутствуют часы реального времени. В случае необходимости замера временных интервалов необходимо будет подключать плату расширения либо реализовывать их на программном уровне.
  3. Arduino IDE. Интегрированная среда разработки Arduino приложение, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи данных который справляется со своей задачей, но поддерживает не все подключаемые модули.

3.2 Платформа Raspberry Pi

Raspberry Pi является полнофункциональным компьютером. Он обладает всеми атрибутами настоящего компьютера: выделенным процессором, памятью и графическим драйвером для вывода через HDMI. На нем работает специальная версия операционной системы Linux. Поэтому на Raspberry Pi легко установить большинство программ для Linux. После определённой доработки Raspberry Pi можно использовать как полноценный медиа-сервер или эмулятор видеоигр [5].

Хотя в Raspberry Pi и отсутствует внутреннее хранилище данных, на этом компьютере можно использовать смарт-карты в качестве флэш-памяти, обслуживающей всю систему [6]. Таким образом, можно быстро выгружать для отладки различные версии операционной системы или программных обновлений. Поскольку это устройство обеспечивает независимую соединяемость по сети, его можно настраивать и для доступа по SSH, либо пересылать на него файлы по протоколу FTP [5].

Преимущества:

  1. Эргономика.
  2. Большая производительность при малых размерах устройства.
  3. Имеется полноценная операционная система.

Недостатки:

  1. Требуется покупка дополнительного оборудования. В стандартной комплектации поставляется только сама плата, блок питания и карту памяти необходимо приобретать отдельно.
  2. Общая шина данный USB и Internet. При большой нагрузке на один из составляющих на втором будет значительное уменьшение скорости передачи данных.
  3. Отсутствие беспроводных интерфейсов на ранних версиях устройства.

3.3 Платформа Intel Galileo

Intel Galileo позиционируется как отладочная плата для изучения ключевых возможностей и особенностей Intel-платформы и решений интернета вещей. Имеет полную аппаратную и программную совместимость с платами расширения Arduino. Имеет идентичное расположение выводов для подключения плат расширения. Одним из преимуществ Intel Galileo является возможность переключения цифровых выводов с режима работы 5В в режим работы 3.3В путём переключения перемычки [7].

Intel Galileo также поддерживает ряд стандартных интерфейсов и портов ввода-вывода, которые обычно можно встретить в ПК. Это позволяет существенно расширить сферы применения устройства по сравнению со стандартными решениями от Arduino.

Преимущества:

  1. Возможность использования среды разработки Arduino IDE.
  2. Большая производительность при малых размерах устройства.
  3. Возможность установки полноценной операционной системы.
  4. Наличие PCI Express контроллера, позволяющего использовать значительно большее количество расширений.

Недостатки:

  1. Высокая стоимость.
  2. Высокий нагрев микроконтроллера во время работы.

4. Технологии взаимодействия модулей системы интеллектуализации транспортных средств

Для передачи данных между датчиками и устройствами для обработки и визуализации данных об окружающей среде, широко применяются беспроводные технологии, которые позволяют создавать гибкие и экономичные системы мониторинга.

Основными технологиями, которые применяются в настоящее время в системах интеллектуализации являются Bluetooth и Zigbee

Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность/дальность/скорость. Основная идея Bluetooth заключалась в создании универсального, надёжного и очень дешевого радиоинтерфейса беспроводного доступа. Технология Bluetooth позволяет обеспечить сопряжение с различным профессиональным и бытовым оборудованием в режимах передачи речи, данных и мультимедиа, при этом гарантируется его электромагнитная совместимость с другим домашним или офисным оборудованием [8].

По характеру взаимодействия с внешними устройствами и приложениями архитектура всех существующих модулей Bluetooth может быть разделена на три вида (рис. 2):

  1. Модули с двухпроцессорной архитектурой (рис. 1.2а) не содержат в себе программного высокоуровневого стека Bluetooth с поддержкой стандартных профилей. Это значит, что необходимые профили Bluetooth должны быть реализованы на внешнем процессоре. Взаимодействие внешнего процессора с модулем происходит через виртуальный интерфейс HCI (Host Controller Interface). В частном случае HCI может быть реализован через аппаратный интерфейс SPI или UART [8].
  2. Модули Bluetooth со встроенной двухпроцессорной архитектурой (рис. 1.2б) являются наиболее распространёнными. Данная разновидность архитектуры подразумевает наличие стека Bluetooth высокого уровня с поддержкой стандартных профилей непосредственно во внутреннем процессоре модуля. В этом случае приложение, работающее на внешнем процессоре, взаимодействует с модулем Bluetooth через аппаратные интерфейсы[8].
  3. Однопроцессорная архитектура (рис. 1.2в) является наименее распространённой. Для её реализации разработчик должен создать специальное приложение, которое будет работать на внутреннем процессоре модуля Bluetooth. В этом случае модуль превращается в автономное устройство, доступ к которому через внешние аппаратные интерфейсы закрыт. Принадлежность модуля к той или иной архитектуре может определяться как его аппаратной реализацией, так и внутренним программным обеспечением. Например, в частном случае один и тот же модуль Bluetooth может быть отнесён к любой из трёх разновидностей архитектуры в зависимости от типа прошивки, загруженной во внутренний процессор модуля. Такой подход пользуется наибольшей популярностью среди зарубежных производителей [8].
Разновидности архитектуры модулей стандарта Bluetooth

Рисунок 2 – Разновидности архитектуры модулей стандарта Bluetooth

Преимущества:

  1. Высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей [9].
  2. Защита передаваемых данных.
  3. Низкая стоимость.
  4. Высокая дальность действия (до 1000 м).
  5. Универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Недостатки:

  1. Относительно высокое энергопотребление (работа от автономных источников питания не всегда возможна). Предполагается, что этого недостатка будет лишена новая версия спецификации Bluetooth 4.0 [9].
  2. Относительно невысокая скорость обмена данными (до 1 Мбит/с). Как правило, реальная скорость обмена данными ограничивается пропускной способностью внешних аппаратных интерфейсов модуля.

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения в России и за рубежом:

  1. Автомобильная электроника. Модули Bluetooth могут использоваться в бортовых автомобильных системах контроля и управления.
  2. Системы удалённого управления и телеметрии;
  3. Компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth [9].

В случаях, когда дальность радиосвязи в прямой видимости оказывается недостаточно большой и возникает необходимость ее наращивания при сохранении энергопотребления на низком уровне, целесообразно обратить внимание на стандарт беспроводной связи ZigBee.

Для облегчения процесса разработки и обеспечения максимальной совместимости устройств ZigBee разных производителей между собой была разработана библиотека ZigBee-кластеров (ZigBee Cluster Library, ZCL). Этот документ вводит понятие стандартных типов устройств, стандартных команд для этих устройств, наборы стандартных атрибутов, диапазоны значений этих атрибутов, типы данных для задания значений атрибутов и т. д. ZCL группирует кластеры по целевому предназначению: общего назначения; для работы с датчиками; для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т. д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием всех новых спецификаций ZigBee с 2007 г [9].

Для стандартных типов устройств существуют стандартные профили приложения. Спецификация профиля определяет параметры, необходимые для совместной работы устройств в одной сети. Существует по крайней мере два основного профиля:

  1. Home Automation. Этот профиль даёт возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «Умный дом». Он регламентирует работу устройств управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т. д..
  2. Smart Energy. Этот профиль позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов [10].

Преимущества:

  1. Защита передаваемых данных.
  2. Поддержка сложных беспроводных сетей.
  3. Очень низкое энергопотребление.

Недостатки:

  1. Недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы.
  2. Невысокая скорость передачи данных. Большая часть трафика ZigBee тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, пакеты синхронизации и т. д. Полезная скорость передачи данных составляет около 30 кбит/с.

Области применения:

  1. Домашние развлечения и контроль, рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.
  2. Домашнее оповещение, датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.
  3. Мобильные службы и оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа и охрана здоровья.
  4. Коммерческое строительство мониторинг энергии, света, контроль доступа.
  5. Промышленное оборудование – контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

Выводы

В ходе анализа задачи построения системы интеллектуализации транспортных средств были проанализированы:

  1. Существующие системы интеллектуализации.
  2. Аппаратные платформы системы интеллектуализации транспортных средств.
  3. Технологии взаимодействия систем интеллектуализации транспортных средств.

В результате чего был выбран способ связи и аппаратная платформа для реализации поставленной задачи разработки системы интеллектуализации транспортных средств.

Список источников

  1. Козлов Л. Н. О концептуальных подходах формирования и развития интеллектуальных транспортных систем в России / Л. Н. Козлов, Ю. М. Урличич, Б. Е. Циклис // Журнал «Транспорт Российской Федерации» №3-4 (22-23) 2009. С. 30-35. [2019]. – Режим доступа: http://www.rostransport.com....
  2. Интеллектуальные транспортные системы. [Электронный ресурс] // Мир знаний: сайт. [2019]. – Режим доступа: http://mirznanii.com....
  3. Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств. [Электронный ресурс] // Arduino Master: сайт. [2019]. – Режим доступа:https://arduinomaster.ru....
  4. Что такое Arduino: описание и применение платформы. [Электронный ресурс] // Arduino++: [сайт]. [2019]. – Режим доступа:http://arduinoplus.ru....
  5. Arduino и Raspberry PI: заклятые враги или лучшие друзья? [Электронный ресурс] // Habr: сайт. [2019]. – Режим доступа: https://habr.com....
  6. Шлее М. Профессиональное программирование на C++. / М. Шлее ¬ СПб.: БХВ-Петербург 2015. – 928 с.
  7. Соммер, У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino / У. Соммер – Philadelphia: SIAM, 2012. – 251 с.
  8. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi) и 434/868 МГц. [Электронный ресурс] // Allbest: сайт. [2019]. – Режим доступа:https://revolution.allbest.ru....
  9. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных. [Электронный ресурс] // DocPlayer: сайт. [2019]. – Режим доступа:http://docplayer.ru....
  10. Система мониторинга, лабораторного контроля и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. [Электронный ресурс] // Мега обучалка: сайт. [2018]. – Режим доступа: https://megaobuchalka.ru....