Библиотека - И.Симонов, В.Германов - Как проектировать беспроводные сенсорные сети

Как проектировать беспроводные сети

Авторы: Игорь Симонов, Владимир Германов

Описание: Исследуются методики проектирования беспроводных сенсорных сетей

Источник: Выставка ExpoElectronica. Проект Молодая электроника

На протяжении всей своей истории человечество стремится создать себе наиболее комфортную и безо пасную среду для жизни и работы и, стоит признать, уже добилось на этом пути немалых успехов. Не будем даже пытаться перечислить, какое количество разнообразных устройств и механизмов работают для достижения этой цели. Следующим витком продвижения в этом направлении обещают стать сенсорные сети.

Сенсорные сети представляют собой распределенное в пространстве множество датчиков и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Применяться подобные сети могут в огромном спектре приложений: домашняя и промышленная автоматизация, контроль микроклимата, охранно-пожарные системы, учет и оптимизация потребления водоэнергоресурсов и т.д. Причем область покрытия подобной сети может составлять от единиц метров до нескольких километров.

Идеология сенсорных сетей позволяет повсеместно избавляться от проводных интерфейсов и связанных с ними расходов (создание кабель-каналов, декорирование,монтаж проводов, закупка и монтаж специализированных коммутаторов, маршрутизаторов и т.д.). Например, установка системы охранно-пожарной сигнализации сводиться к простому расположению датчиков. А замену элементов питания необходимо проводить даже реже, чем производить регулярное штатное обслуживание, необходимое по ТУ на систему.

Стоит отдельно рассмотреть, что же представляет собой отдельный узел подобной сети. Обобщенная структура типичного датчика изображена на рис. 1.

Рис. 1. Cтруктура узла сенсорной сети

Как видно из рисунка, датчик сенсорной сети содержит в своем составе:

Радиомодем, включающий низкомощный приемопередатчик и микроконтроллер (МК). МК, в свою очередь, имеет в своем составе вычислительное ядро, ОЗУ, Flash ПЗУ, EEPROM, АЦП, блок обработки прерываний, определенную номенклатуру интерфейсов и ряд иных периферийных узлов, в зависимости от конкретного устройства.
Узел питания. В цепях питания реализована защита от перенапряжения и от переполюсования клемм. Возможна дополнительная схема для подачи питания от внешнего источника
Блок визуализации, для отображения текущего состояния устройства (опционально).
Блок ввода, для смены режимов работы, перезагрузки и т.д.(опционально).
интерфейсный блок, содержащий те или иные порты ввода/вывода, например программирования или подключения внешнего датчика.

К узлам, входящим в состав сенсорных сетей предъявляются достаточно жесткие и специфичные требования. Прежде всего, это длительное функционирование от автономного источника питания, широкие сетевые возможности, включая самоорганизацию, динамическую аутентификацию, гибкие механизмы маршрутизации и т.п. И при всем этом каждый подобный узел должен иметь крайне низкую стоимость и обладать минимально возможными размерами. В настоящий момент ведутся разработки беспроводных датчиков, размер которых не превышает 1 см3. В отдаленной перспективе речь идет уже об умной пыли, то есть сенсорных сетях, каждый узел которых по своим размерам не превышает 1 мм3.

В настоящий момент сенсорные сети становятся реальностью. Уже сейчас существует 2 крупных стандарта реализации этих сетей: ZigBee и Z-Wave. Данные этих стандартов приведены в табл. 1.

Как можно увидеть из таблицы, и это подтверж дается поддержкой ведущими производителями микроэлектроники, стандарт IEEE 802.15.4/ZigBee обладает значительно большей гибкостью. При этомполноценное моночиповое решение (аналог радиомодема, изображенного на рис. 1) можно приобрести по стоимости от 5 долларов.

Стоит, однако, отметить, что не все так гладко. Собственно, стандартом физического и канального у ровня, отвечающим за само устройство, является только IEEE 802.15.4. А ZigBee является только программной надстройкой. Причем на ней стоит остановиться подробнее. Во-первых, единого поставщика стека нет. Стек разрабатывается параллельно огромным количеством крупных и мелких компаний по спецификациям альянса. Как следствие, устройства от разных производителей часто не могут корректно взаимодействовать даже на уровне радиоканала. В дополнение к этому профили самих устройств пока не проработаны. То есть купленный у одного производителя управляемый вентиль на батарее не сможет понять команду от датчика температуры другого производителя. Но на этом проблемы не заканчиваются. При разработке стандарта отталкивались от позиций максимальной универсальности, что не замедлило сказаться на протоколе. Желаемой универсальности он так и не приобрел,зато стал достаточно ресурсоемким и не очень эффективным с энергетической точки зрения. Например,с помощью стандарта невозможно реализовать полностью автономные сети. Необходимо, чтобы координатор и ретрансляторы работали от стационарного питания. Кроме того,большинство производителей поставляют свой стек в виде объектных библиотек, то есть без какой либо возможности модификации кода под конкретное приложение. В качестве недостатков можно отметить еще невозможность перехода сегментов сети по каналам, отсутствие контроля на уровне приложения за маршрутизацией, непрогнозируемую коллизионную обстановку, и, немаловажный фактор, потенциальные бреши в безопасности сети (потенциальные уязвимости в механизмах самовосстановления, широкое рас пространение стандарта приведет к обилию средств взлома и т.п.) Стоит также четко представлять, что под цифрой в 64000 узлов имеется в виду только емкость адресного пространства. Реально такую сеть получить практически невозможно.

Подводя краткое резюме вышеизложенному, можно сказать, что есть хороший стандарт физического уровня, широкий выбор элементной базы, но программную часть потребитель вынужден реализовывать самостоятельно под свои конкретные нужды. Так на настоящий момент и обстоит ситуация. Но разработка собственного протокола — процесс дорогостоящий и требующий узкоспециализированных разработчиков высокой квалификации. Проще отдавать подобные разработки на аутсорсинг. Исходя из этих соображений, коллективом разработчиков кафедры телекоммуникационных систем Московского института электронной техники было решено создать программно-аппаратный инструментарий, который позволил бы разрабатывать заказные беспроводные сенсорные сети в приемлемые сроки.

В состав программно-аппаратного инструментария вошли:

Специализированный конфигурируемый стек протоколов, ориентированный на автономные беспроводные сети с ограниченными энергетическими ресурсами. В стеке предусмотрены возможности самоорганизации и самовосстановления сети и обеспечивается многоуровневая настраиваемая система динамической аутентификации.
Имитатор оконечного устройства сети. Каждый прототип узла сенсорной сети включает в свой состав низкомощный приемопередатчик, базовый набор сенсорных элементов, интерфейс обмена информацией с ПК, средства индикации и имитации событий. Для обмена информацией между элементами системы используется радиоканал с частотным диапазоном в районе 2,4...2,5 ГГц. Количество рабочих радиочастот ных каналов 16. Максимальная излучаемая мощность радиопередающих трактов устройств — не более 2 мВт. Рабочая дальность связи в открытом пространстве — не менее 200 м.
Универса льная система регистрации и систематизации пакетов обеспечивает отладку специализированных беспроводных сетей передачи данных. Система включает аппаратную часть, основой которой является широкополосный приемопередатчик и соответствующее системное программное обеспечение. Приемникобеспечивает корректный прием данных, пересылаемых прототипами узлов сенсорной сети. Система непрерывно, за исключением времени, необходимого для системных процедур, производит регистрацию эфирной активности в одном из 16 радиочастотных каналов. Кроме того, в состав системы входит программное обеспечение для персонального компьютера.

Проект уже нашел поддержку в рамках программы У.М.Н.И.К., проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

С использованием модулей, входящих в состав инструментария, произведена разработка полностью автономной беспроводной системы охранно-пожарной сигнализаци. В данном стеке протоколов реализованы механизмы самоорганизации и самовосстановления сети, механизмы автоматической регулировки мощности, динамической аутентификации и шифрования данных, протоколы временной синхронизации устройств маршрутизации, алгоритмы энергосбережения и методы организации доступа к каналу передачи данных. В отличие от имеющихся на сегодняшний день аналогов, проработана возможность реализации функций ретрансляторов в рядовых автономных узлах беспроводной сенсорной сети. Иными словами, система не требует подвода стационарного питания даже к ретрансляторам, роль которых может выполнять любой датчик.

Назад в библиотеку