Автор: Метейко В.А., магистрант; Червинский В.В., доц., к.т.н
Источник: Інформаційні управляючі системи та комп’ютерний моніторинг (ІУС КМ - 2011) - 2011 / Матерiали II мiжнародної науково-технiчної конференцiї студентiв, аспiрантiв та молодих вчених. — Донецьк, ДонНТУ — 2011, Том 2, с. 132-136.
Метейко В.А. Червинский В.В. Исследование вопросов проектирования беспроводных промышленных сетей на базе технологии ZigBee. Рассмотрены детали, связанные с прокладкой, настройкой и эксплуатацией промышленной сети датчиков на базе технологии ZigBee.
Беспроводные технологии в повседневной жизни применяются очень широко. Через Wi-Fi, 3G и 4G осуществляется доступ в Интернет, передача мультимедиа, в корпоративных сетях пользуется DECT, для широких слоев населения - GSM-телефония. Уход от проводов дает массу преимуществ: быстроту и легкость развертывания, реструктуризацию и масштабируемость сетей, мобильность, уменьшение расходов на прокладку кабелей связи, общую эстетичность помещений, в которых больше не лежат спутанные провода.
Кроме того, благодаря беспроводным технологиям, можно разворачивать сети передачи данных в местах, в которых невозможно проложить кабель, например, в силу особенностей конструкции, по соображениям безопасности или по каким-либо другим причинам.
Но если в повседневной жизни внедрение беспроводных технологий происходит одновременно с техническими разработками, то в промышленности прокладка кабельных линий до сих пор является основным способом обеспечения связи с объектами. При этом прокладка кабельных линий является довольно трудоемким и затратным процессом. Поэтому часто в промышленных условиях возникает необходимость быстрой разработки и развертывания потребляющей немного энергии сети, например, беспроводных датчиков.
Анализ беспроводных технологий показывает, что высокоскоростные технологии Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB предназначены в первую очередь для обслуживания компьютерной периферии и устройств мультимедиа. Они оптимизированы для передачи больших объемов информации на высоких скоростях, работают в основном по топологии «точка-точка» или «звезда» и малопригодны для реализации сложных разветвленных промышленных сетей с большим количеством узлов.
Сеть на базе технологии Zig-Bee включает 3 типа устройств:
Координатор (COO) – устройство, которое организует сеть. Участвует в процессе мониторинга и маршрутизации трафика, а также является одновременно доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает параметры во время подключения устройства к сети. Всегда находится в активном режиме, из-за чего устройство должно быть подключено к стационарному источнику питания.
Роутер (FFD) — устройство, которое при подключении имело тип FFD (полнофункциональное устройство). Как и координатор, такое устройство участвует в маршрутизации сетевого трафика
Перечисленные устройства выступают в качестве родительских узлов для конечных устройств. Максимальное число дочерних узлов у роутера или координатора может достигать 32. Родительские устройства отвечают за прием и хранение(*) сообщений для конечных устройств, которые подключены к ним. Конечные устройства, в свою очередь, общаются с сетью через родителей. Каждый раз, когда новое конечное устройство подключается к сети, или же когда старое переподключается, для него определяется родитель, который делает запись в специальной таблице дочерних устройств. В этой таблице хранится короткий и длинный адрес дочернего узла и его тип.
Спящее конечное устройство (SED) — Такие устройства большую часть времени проводят в режиме сна и могут работать от батареечного источника питания длительное время. Определение «длительного времени» здесь зависит от приложения, но если рассмотреть пример с беспроводным ZigBee выключателем, то срок работы такого устройства от одного комплекта дисковых батареек может составить 2-3 года. Такие устройства выходят из спящего режима только по какому-либо внешнему событию (по прерыванию от таймера, чтобы оцифровать показания датчика; по нажатию на кнопку и т.д.) или же когда пришло время отправлять пакет данных.
Рассмотрим пример развертывания беспроводной сети датчиков в условиях промышленного цеха.
С данным набором датчиков можно организовать безопасное технологическое производство.
Вся суть беспроводной сенсорной сети в том, что контроллер не только собирает и выдает сухие показатели, но и на основе полученных данных перестраивает производство.
Разберемся на примере работы одного из станков.
Устройство работает под давлением, выливая нужные элементы. На станке стоят датчики давления, температурные датчики и газовые датчики.
При недостаточной, либо слишком высокой температуре, координатор посылает команду на модуль регулятора температуры, который в свою очередь, повышает, либо понижает подачу топлива на нагревающий элемент.
Давление на станке организуется насосом. В случае повышения, либо понижении давления, центральный координатор подает сигнал на модуль управления насосом, который меняет его мощность для поддержки постоянного уровня давления. Исполнительными механизмами является электрифицированная задвижка, регулирующая клапан и двигатель насоса.
Датчик газовых примесей нужен для рациональной работы вентиляции. При слишком высоких показателей газов, координатор подает сигнал на модуль управления задвижкой вентиляции
Управляющие модули устанавливаются на корпусе механизмов или в непосредственной близости от них. Связь с центральным контроллером осуществляется по радиоканалу, что автоматически обеспечивает гальваническую изоляцию между модулями. Применение же радиоканала для связи с пультом оператора позволяет сделать его мобильным с автономным питанием. При этом длина кабельных линий минимальна. Другим немаловажным преимуществом распределенной системы является высокая живучесть, так как при выходе из строя одного из управляющих модулей неработоспособной оказывается лишь небольшая часть системы. При подобной организации системы центральный процессор может обладать меньшими вычислительными мощностями, а, следовательно, быть доступнее, дешевле и иметь меньшие массогабаритные размеры.
Среди свойств ZigBee следует особо выделить поддержку сложных топологий сетей. Именно за счет этого, при относительно малой максимальной дальности связи двух близлежащих устройств, возможно расширить зону покрытия сети в целом. Также этому способствует 16-битная адресация, позволяющая объединять в одну сеть более 65 тыс. устройств.
Другой отличительной чертой стандарта является возможность самовосстановления дееспособности сети в случае выхода из строя отдельных ее узлов. 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 выходе из сети одного из устройств, вычисляется новый маршрут следования сообщения. Это преимущество является исключительно важным в сетях, функционирующих на промышленных объектах в жестких условиях эксплуатации при наличии промышленных помех, а также в тех случаях, когда часть узлов находится на движущихся устройствах, например электрокарах.
Перед разработчиком подобных систем возникают следующие задачи:
При использовании в системах распределенного мульти-микропроцессорного управления со сбором информации с интеллектуальных датчиков Подбор конфигурации отдельных узлов сети должен производиться с учетом минимизации их энергопотребления и процессорных ресурсов.
Настройка возможности организации самоконфигурируемых сетей со сложной топологией, в которых маршрут сообщения автоматически определяется не только числом исправных или включенных/выключенных на текущий момент устройств (узлов), но и качеством связи между ними, которое автоматически определяется на аппаратном уровне.
Обеспечивает масштабируемость — автоматический ввод в работу узла или группы узлов сразу после подачи питания на узел выбора альтернативного маршрута передачи сообщений при отключениях/сбоях в отдельных узлах. Гарантирует высокую надежность сети
Таким образом, задача проектирования беспроводной сети для условий промышленного предприятия является сложной многокритериальной задачей, оптимальное решение которой требует применения методов оптимизация, в том числе, основанных на интеллектуальных информационных технологиях
В данном исследовании были поставлены требования к беспроводной сети датчиков. Представлена общая схема реализации сети, в качестве примера были подобраны реальные датчики, которые могли бы решить проблему построения сети, а так же приведен пример алгоритма работы одного из таких датчиков.
1. Дианов И., Яманов А. Комплексные решения по GPRS-связи в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации // «Беспроводные технологии». 2010. № 4.
2. А. Д. Яманов, Д. А. Алевский, А. Е. Плеханов. Технология развертывания локальных беспроводных радиосетей ZigBee в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации // «ИСУП». 2011. № 6 (36). С. 26–32.
3. Иваненко В.А. Информационные аспекты при разработке сенсорных сетей (Часть 1) [Текст]/ В.А. Иваненко, А.Н. Зеленин// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – 3/4 (51). – с. 46-49.
4. 802.15.4-2011 ? IEEE Standard for Local and metropolitan area networks [Текст]// IEEE Standards Association. – 2011. – http://standards.ieee.org/findstds/ standard/802.15.4-2011.html.
5. ZigBee Standards Overview [Электронный ресурс]/ ZigBee® Alliance. Режим доступа: http://www.zigbee.org/Standards/Overview.aspx.