Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У сучасному світі актуальною проблемою є безпека дорожнього руху, що призводить до необхідності використання найсучасніших технологій збору і обробки інформації про навколишнє середовище з метою підвищення безпеки руху та впровадження різних систем автопілотування транспорту. Для цих цілей застосовують різні автоматизовані системи моніторингу навколишнього середовища.

Метою роботи є розробка системи інтелектуалізації транспортних засобів. Ідея розробки полягає в створенні автономної системи здатної збирати дані навколишнього середовища, зберігати їх і в разі необхідності передавати дані користувачеві.

Для реалізації проекту необхідно:

  1. Провести аналіз апаратних платформ і технологій взаємодії систем з призначеним для користувача інтерфейсом.
  2. Розробити систему на основі обраної апаратної платформи.
  3. Розробити програмне забезпечення для системи збору і обробки інформації про навколишнє середовище.

1. Актуальність теми

Дорожній рух в даний час слід розглядати як одну з найскладніших складових соціально економічного розвитку міст і регіонів, що призводить до необхідності використання найсучасніших технологій збору і обробки інформації про навколишнє середовище з метою підвищення безпеки руху і впровадження різних систем автопілотування транспорту.

Провідні виробники транспортних засобів займаються дослідженнями в області систем управління транспортом, в яких засоби зв'язку, управління і контролю спочатку вбудовані в транспортні засоби і об'єкти інфраструктури, а можливості управління (прийняття рішень) на основі інформації, одержуваної в реальному часі, доступні не лише транспортним засобам, але і всім користувачам транспорту [1].

2. Аналіз існуючих систем інтелектуалізації транспортних засобів

Світовою транспортною спільнотою рішення знайдено у створенні вже не систем управління транспортом, а систем, в яких засоби зв'язку, управління і контролю спочатку вбудовані в транспортні засоби і об'єкти інфраструктури, а можливості управління (прийняття рішень), на основі отриманої в реальному часі інформації, доступні не тільки транспортним операторам, але і всім користувачам транспорту. Завдання вирішується шляхом побудови інтегрованої системи: люди - транспортна інфраструктура - транспортні засоби, з максимальним використанням новітніх інформаційно-керуючих технологій. Такі системи і стали називати інтелектуальними [1].

Починаючи з 80-х років більшість країн Європи, Азіатсько-Тихоокеанського регіону і США цілеспрямовано і систематично просувають ІТС в якості центральної теми в здійсненні транспортної політики [1].

Один з основних напрямків розвитку ІТС в Європі, США і Японії, яке активно просувається останні 15 років - реалізація концепції інтелектуального автомобіля. Працює міжнародна програма "Транспортні засоби підвищеної безпеки". Вже перші досліди використання бортових інтелектуальних систем показали, що вони здатні зменшити число ДТП на 40%, а число ДТП зі смертельними наслідками на 50% [2].

Під терміном "бортові інтелектуальні системи" в ООН розуміють системи, встановлені на автомобілі з метою підвищення його безпеки і використовують інформацію, яка надходить як безпосередньо від бортових датчиків автомобіля, так і від дорожньої інфраструктури або інших джерел [1].

В даний час вже знаходяться у продажу або проходять полігонні випробування більше десяти типів бортових ІТС - Система підтримки дистанції в щільному транспортному потоці; Система утримання автомобіля на смузі; Система оповіщення про втому водія; Система запобігання бічних зіткнень; Система утримання автомобіля при русі по кривій; Система виявлення мотоциклістів [1].

Бортові ІТС реалізують, як мінімум, чотири функції:

  1. Надають водієві допомогу в передбаченні дорожньої обстановки.
  2. Спонукають його до дій щодо запобігання небезпечної ситуації.
  3. Знижують стомлюваність водія, приймаючи частину навантаження з управління автомобілем на себе.
  4. Автоматично беруть управління на себе, якщо водій самостійно не зміг виконати необхідні дії щодо запобігання ДТП, або знижуючи тяжкість її наслідків.

Сьогодні в Японії ІТС-обладнання встановлюється як штатний на всіх автомобілях високого і середнього класу. Обсяг продажів постійно зростає.

З 2000 року товариство стало відчувати результати від розгортання ІТС.

Водії отримали автомобілі, оснащені засобами безпеки, нові технології та інформацію про поїздку і про дорожній руху в реальному часі [1].

Урядові агентства побачили нові можливості систем контролю і управління дорожнім рухом в реальному часі.

У Росії, незважаючи на відсутність до теперішнього часу планомірних робіт з комплексного розвитку ІТС, існує досить багато прикладів спроб розвитку локальних елементів і систем, що відносяться за сучасною термінологією до ІТС [1].

В даний час в Росії досить активно розробляються окремі розрізнені елементи ІТС, що диктується поточними потребами ринку, а не довгострокової стратегією. Спостерігається чотири процесу, пов'язаних з розвитком ІТС:

  1. Розробка різними підприємствами і організаціями власних моделей ІТС.
  2. Адаптація зарубіжної і вітчизняної радіоелектронної апаратури.
  3. Надання локальних послуг (в основному моніторингу та дистанційній охорони автотранспорту) на основі розробок зарубіжних фірм.
  4. Широкий продаж бортових комплексів сухопутної навігації і комплектуючих.

Сьогодні найбільш активно розвиваються базові технології для транспортної інфраструктури і транспортних засобів:

  1. Управління рухом на автомагістралях.
  2. Комерційні автоперевезення.
  3. Запобігання зіткнень транспортних засобів і безпеку їх руху.
  4. Електронні системи оплати транспортних послуг.
  5. Управління у разі крайньої потреби.
  6. Управління рухом на основний вуличної мережі.
  7. Управління ліквідацією наслідків ДТП.
  8. Контроль погоди на автомагістралях;

3. Апаратна платформа системи інтелектуалізації транспортних засобів

Розробляєма система інтелектуалізації транспортних засобів призначена для визначення параметрів навколишнього середовища (температура, вологість повітря, освітлення і атмосферний тиск) і передачі на мобільний пристрій за допомогою бездротової технології.

Для підключення датчиків, які вимірюють параметри навколишнього середовища, в даний час застосовують різні апаратно-програмні платформи на базі різних мікроконтролерів.

Система збору та обробки інформації про навколишнє середовище включає в себе (рис. 1):

  1. Пристрій зв'язку.
  2. Датчик температури.
  3. Датчик вологості.
  4. Датчик освітлення.
  5. Датчик атмосферного тиску.
  6. Пристрій обробки даних.
  7. Пристрій тестування.
Структурна схема пристрою

Рисунок 1 - Структурна схема пристрою
(анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 26 кілобайт)

В даний час існують наступні платформи:

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

3.1 Платформа Arduino

Arduino представляє собою плату з контактами для підключення додаткових компонентів. Технічні характеристики пристрою залежать від моделі використовуваного мікроконтролера. На базі Arduino можна створювати автономні проекти [3].

Програмний код записується на саму плату, завдяки вбудованому в процесор программатору. Однак проект може виконуватися за допомогою іншого пристрою, використовуючи провідні або бездротові канали зв'язку [4].

При їх відсутності можна придбати додаткові модулі, що додають нові функції. Велика відкрита база готових проектів і креслень CAD відкриває великі можливості для поглибленого вивчення середовища, породжуючи нові ідеї для власного пристрою [3].

Ринок додаткових плат постійно оновлюється, з'являються нові розробки. Цьому сприяє повністю відкрита архітектура пристрою.

Переваги:

  1. Arduino IDE заснований на AVRGCC. Знаючи C ++ не буде потрібно вивчати нову мову програмування.
  2. Можливість програмувати, обмінюватися даними і живити плату за допомогою одного USB кабелю.
  3. Велика кількість стандартних бібліотек, завдяки яким можна написати просту програму без великого досвіду програмування.

Недоліки:

  1. Мало варіантів рішення. У разі необхідності більшої кількості пам'яті необхідно буде підключати плату розширення пам'яті або шукати платформу з великою кількістю пам'яті.
  2. Відсутні годинник реального часу. У разі необхідності виміру тимчасових інтервалів необхідно буде підключати плату розширення або реалізовувати їх на програмному рівні.
  3. Arduino IDE. Інтегроване середовище розробки Arduino додаток, що включає в себе редактор коду, компілятор і модуль передачі даних який справляється зі своїм завданням, але може не підтримувати деякі модулі.

3.2 Платформа Raspberry Pi

Raspberry Pi є повнофункціональним комп'ютером. Він володіє всіма атрибутами справжнього комп'ютера: виділеним процесором, пам'яттю і графічним драйвером для виведення через HDMI. На ньому працює спеціальна версія операційної системи Linux. Тому на Raspberry Pi легко встановити більшість програм для Linux. Після певної доробки Raspberry Pi можна використовувати як повноцінний медіа-сервер або емулятор відеоігор [5].

Хоча в Raspberry Pi і відсутня внутрішнє сховище даних, на цьому комп'ютері можна використовувати смарт-карти в якості флеш-пам'яті, яка обслуговує всю систему. Таким чином, можна швидко вивантажувати для налагодження різні версії операційної системи або програмних оновлень. Оскільки цей пристрій забезпечує незалежну з'єднуваність по мережі, його можна налаштовувати і для доступу по SSH, або пересилати на нього файли по протоколу FTP [5].

Переваги:

  1. Ергономіка.
  2. Велика продуктивність при малих розмірах пристрою.
  3. Є повноцінна операційна система.

Недоліки:

  1. Потрібна покупка додаткового обладнання. У стандартній комплектації поставляється тільки сама плата, блок живлення і карту пам'яті необхідно купувати окремо.
  2. Загальна шина даних USB і Internet. При великому навантаженні на один зі складових на другому буде значне зменшення швидкості передачі даних.
  3. Відсутність бездротових інтерфейсів на ранніх версіях пристрою.

3.3 Платформа Intel Galileo

Intel Galileo позиціонується як плата для вивчення ключових можливостей і особливостей Intel-платформи і рішень. Має повну апаратну і програмну сумісність з платами розширення Arduino. Має ідентичне розташування виходів для підключення плат розширення. Одним з переваг Intel Galileo є можливість перемикання цифрових виходів з режиму роботи 5В в режим роботи 3.3В шляхом перемикання перемички.

Intel Galileo також підтримує ряд стандартних інтерфейсів і портів введення-виведення, які зазвичай можна зустріти в ПК. Це дозволяє істотно розширити сфери застосування пристрою в порівнянні зі стандартними рішеннями від Arduino.

Переваги:

  1. Можливість використання середовища розробки Arduino IDE.
  2. Велика продуктивність при малих розмірах пристрою.
  3. Можливість встановлення повноцінної операційної системи.
  4. Наявність PCI Express контролера, що дозволяє використовувати значно більшу кількість розширень.

Недоліки:

  1. Висока вартість.
  2. Високий нагрів мікроконтролера під час роботи.

4. Технології взаємодії модулів системи інтелектуалізації транспортних засобів

Для передачі даних між датчиками і пристроями для обробки і візуалізації даних про навколишнє середовище, широко застосовуються бездротові технології, які дозволяють створювати гнучкі і економічні системи моніторингу.

Основними технологіями, які застосовуються в даний час в системах інтелектуалізації є Bluetooth і Zigbee

Стандарт Bluetooth є компромісним з точки зору співвідношення параметрів економічність / дальність / швидкість. Основна ідея Bluetooth полягала в створенні універсального, надійного і дуже дешевого радіоінтерфейсу бездротового доступу. Технологія Bluetooth дозволяє забезпечити поєднання з різними професійним і побутовим обладнанням в режимах передачі мови, даних і мультимедіа, при цьому гарантується його електромагнітна сумісність з іншим домашнім або офісним обладнанням [6].

За характером взаємодії з зовнішніми пристроями і додатками архітектура всіх існуючих модулів Bluetooth може бути розділена на три види (рис. 2):

  1. Модулі з двухпроцесорною архітектурою (рис. 1.2а) не містять в собі програмного високорівневого стека Bluetooth з підтримкою стандартних профілів. Це означає, що попередньо визначених профілів Bluetooth повинні бути реалізовані на зовнішньому процесорі. Взаємодія зовнішнього процесора з модулем відбувається через віртуальний інтерфейс HCI (Host Controller Interface). В окремому випадку HCI може бути реалізований через апаратний інтерфейс SPI або UART [ 6 ].
  2. Модулі Bluetooth з вбудованою двухпроцесорною архітектурою (рис. 1.2б) є найбільш поширеними. Цей різновид архітектури має на увазі наявність стека Bluetooth високого рівня з підтримкою стандартних профілів безпосередньо у внутрішньому процесорі модуля. В цьому випадку додаток, що працює на зовнішньому процесорі, взаємодіє з модулем Bluetooth через апаратні інтерфейси [ 6 ].
  3. Однопроцесорна архітектура (рис. 1.2В) є найменш поширеною. Для її реалізації розробник повинен створити спеціальний додаток, який буде працювати на внутрішньому процесорі модуля Bluetooth. У цьому випадку модуль перетворюється в автономний пристрій, доступ до якого через зовнішні апаратні інтерфейси закритий. Належність модуля до тієї або іншої архітектури може визначатися як його апаратної реалізацією, так і внутрішнім програмним забезпеченням. Наприклад, в окремому випадку один і той же модуль Bluetooth може бути віднесений до будь-якої з трьох різновидів архітектури в залежності від типу прошивки, завантаженої у внутрішній процесор модуля. Такий підхід користується найбільшою популярністю серед зарубіжних виробників [ 6 ].
Різновиди архітектури модулів стандарту Bluetooth

Рисунок 2 – Різновиди архітектури модулів стандарту Bluetooth

Переваги:

  1. Високий рівень стандартизації і сумісність з іншими пристроями Bluetooth різних виробників [ 7 ].
  2. Захист переданих даних.
  3. Низька вартість.
  4. Висока дальність дії (до 1000 м).
  5. Універсальність і велика різноманітність модулів під різні завдання.

Недоліки:

  1. Високе енергоспоживання (робота від автономних джерел живлення не завжди можлива). Передбачається, що цього недоліку буде позбавлена нова версія специфікації Bluetooth 4.0 [ 7 ].
  2. Відносно невисока швидкість обміну даними (до 1 Мбіт / с). Як правило, реальна швидкість обміну даними обмежується пропускною здатністю зовнішніх апаратних інтерфейсів модуля.

Виходячи з характерних особливостей модулів Bluetooth, сформувалися їх області застосування в Росії і за кордоном:

  1. Автомобільна електроніка. Модулі Bluetooth можуть використовуватися в бортових автомобільних системах контролю і управління.
  2. Системи віддаленого управління і телеметрії;
  3. Комп'ютерна техніка та телекомунікаційне обладнання користувача. Ноутбуки, мобільні телефони, смартфони, торгові термінали з вбудованою функцією Bluetooth [7].

У випадках, коли дальність радіозв'язку в прямій видимості виявляється недостатньо великою і виникає необхідність її нарощування при збереженні енергоспоживання на низькому рівні, доцільно звернути увагу на стандарт бездротового зв'язку ZigBee.

Для полегшення процесу розробки і забезпечення максимальної взаємодії між різними пристроями ZigBee різних виробників між собою була розроблена бібліотека ZigBee-кластерів (ZigBee Cluster Library, ZCL). Цей документ вводить поняття стандартних типів пристроїв, стандартних команд для цих пристроїв, набори стандартних атрибутів, діапазони значень цих атрибутів, типи даних для завдання значень атрибутів і т. д. ZCL групує кластери за цільовим призначенням: загального призначення; для роботи з датчиками; для управління освітлювальними приладами, вентиляцією і т. д. Використання стандартних кластерів для пересилання повідомлень є обов'язковою вимогою всіх нових специфікацій ZigBee з 2007 р [7].

Для стандартних типів пристроїв існують стандартні профілі додатків. Специфікація профілю визначає параметри, необхідні для спільної роботи пристроїв в одній мережі. Існує принаймні два основних профілі:

  1. Home Automation. Цей профіль дає можливість виробникам бездротових систем домашньої автоматизації в усьому світі розробляти сумісні пристрої класу «Розумний будинок». Він регламентує роботу пристроїв управління освітлювальним обладнанням, системами кондиціонування, опалення, вентиляції і т. д..
  2. Smart Energy. Цей профіль дозволяє забезпечити бездротовий зв'язок між пристроями домашньої автоматизації та пристроями вимірювальної інфраструктури комунальної служби, що займається засобами обліку енергоресурсів.

Переваги:

  1. Захист переданих даних.
  2. Підтримка складних бездротових мереж.
  3. Дуже низьке енергоспоживання.

Недоліки:

  1. Недостатньо високий рівень стандартизації і відсутність єдиної програмно-апаратної платформи.
  2. Невисока швидкість передачі даних. Велика частина трафіку ZigBee витрачається на передачу пакетів, що містять адресну інформацію, пакети синхронізації і т. д. Корисна швидкість передачі даних становить близько 30 кбіт / с.

Області застосування:

  1. Домашні розваги і контроль, раціональне освітлення, просунутий температурний контроль, охорона і безпека, фільми і музика.
  2. Початкове оповіщення, датчики води та енергії, моніторинг енергії, датчики задимлення і пожежі, раціональні датчики доступу і переговорів.
  3. Мобільні служби та оплата, моніторинг і контроль, охорона і контроль доступу і охорона здоров'я.
  4. Комерційне будівництво моніторинг енергії, світла, контроль доступу.
  5. Промислове устаткування - контроль процесів, промислових пристроїв, управління енергією і майном.

Висновки

В ході аналізу завдання побудови системи інтелектуалізації транспортних засобів були проаналізовані:

  1. Існуючі системи інтелектуалізації.
  2. Апаратні платформи системи інтелектуалізації транспортних засобів.
  3. Технології взаємодії систем інтелектуалізації транспортних засобів.

В результаті чого був обраний спосіб зв'язку і апаратна платформа для реалізації поставленого завдання розробки системи інтелектуалізації транспортних засобів.

Список джерел

  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. 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....
  7. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных. [Электронный ресурс] // DocPlayer: сайт. [2019]. – Режим доступа:http://docplayer.ru....