биосигнала, N — общее количество измеренных параметров.
В результате проведенных исследований метрологических характеристик разработанного ФИП артериальной пульсации крови были получены следующие значения инструментальной погрешности измерения параметров биосигнала: относительная погрешность измерения длительности межпульсовых интервалов не более 1,5 %; относительная погрешность измерения амплитуды сигнала артериальной пульсации крови не более 2,3 %.
Таким образом, схемотехнические решения разработанного фотометрического ИП артериальной пульсации крови обеспечивают высокую эффективность регистрирования биосигнала и низкие значения инструментальной погрешности измерения амплитудно-временных характеристик регистрируемого биосигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement // Physiological Measurement. — 2007. — Vol. 28. — P. 1—39.
2. Expert Consensus Document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications // European Heart Journal. — 2006. — Vol. 27 (21). — P. 2588—2605.
3. Webster J. G. Design of Pulse Oximeters. — The Medical Science Series, Taylor & Francis, 1997. — 260 p.
4. Cui W. In vivo reflectance of blood and tissue as a function of light wavelength // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. — 1990. — Vol. 37 (6). — Р. 632—639.
5. Jones D. P. Medical electro-optics: measurements in the human microcirculation // Physics in Technology. — 1987. — Vol. 18. — P. 79—85.
6. Webster J. G. Medical instrumentation. Application and design / Edited by J. G. Webster. — John Wiley & Sons, 2009. — 675 p.
7. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Пер. с франц. — М.: Мир, 1992. — 480 с.
8. Allen J., Murray A. Effects of filtering on multi-site photoplethysmography pulse waveform characteristics // Computers in Cardiology Proceedings. — 2004. — P. 485—488.
9. Калакутский Л. И., Федотов А. А. Диагностика дисфункции сосудистого эндотелия методом контурного анализа пульсовой волны // Известия ЮФУ. Технические науки. — Таганрог, 2009. — № 9. — С. 93—98.
10. Федотов А. А. Амплитудно-временной метод детектирования характерных точек сигнала пульсовой волны // Медицинская техника. — 2012. — № 6. — С. 22—28.
11. Новицкий П. В, Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1991. — 304 с.
Александр Александрович Федотов — канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехники и медицинских диагностических систем Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет).
® 8 (846) 927-76-68
E-mail: fedoaleks@yandex.ru □
УДК 621.317.72
АЛГОРИТМ КОНВЕЙЕРНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ОПРОСА БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СВЯЗИ
В. В. Макаров, С. М. Володин
Рассмотрена беспроводная сенсорная сеть с мозаичной структурой. Предложен конвейерный алгоритм циклического опроса сети. Получены оценки надежности, длительностей циклического опроса и активного состояния произвольного узла сети.
Ключевые слова: интеллектуальный датчик, беспроводная сенсорная сеть.
ВВЕДЕНИЕ
Беспроводные сенсорные сети (БСС) в информационно-измерительных системах (ИИС) позволяют снизить стоимость прокладки и обслуживания линий связи, повысить достоверность передаваемых данных, улучшить надежность ИИС бла-
годаря возможностям самоорганизации и самовосстановления сетей [1, 2].
В состав БСС входят устройства трех видов: интеллектуальные датчики (ИД) и их кластеры, ретрансляторы сообщений и центральный контроллер (ЦК), координирующий работу
сети. ИД выполняют сбор, первичную цифровую обработку и передачу измерительной информации в ЦК с помощью ретрансляторов сообщений.
Ретрансляторы сообщений хранят в памяти всевозможные маршруты и выбирают оптимальный в данный момент вре-
Рис. 1. Граф беспроводной сенсорной сети:
ЦК — центральный контроллер; 1—34 — ретрансляторы; г — расстояние доступа
мени маршрут передачи сообщений в ЦК, который организует и настраивает сеть, координирует работы входящих в нее блоков, выполняет сбор и конечную обработку измерительной информации, поступающей от ИД [3]. Беспроводная передача данных с помощью радиолиний связи использует известные технологии Bluetooth, Zigbee, Wi-Fi и др. [4].
Одной из задач проектирования БСС является построение расписания работы сети [5, 6]. Сформулируем ее как разработку алгоритма опроса всех ИД сети без потери измерительной информации за наименьшее время и при минимальных энергетических затратах на работу сети, что обеспечивает оперативность измерений, надежность передачи данных, увеличение срока службы сети без ее обслуживания.
Ниже решение этой задачи рассматривается для БСС с мозаичной структурой: оценивается надежность ее работы, предлагается "конвейерный" алгоритм и исследуется время равномерного циклического опроса сети. Алгоритм обеспечивает поочередную инициализацию измерений ИД, формирование пакетов результатов текущих преобразований, бесконфликтную передачу пакетов в ЦК, использование запасных маршрутов для успешного опроса всех узлов сети.
СТРУКТУРА СЕТИ
Для снижения энергетических затрат передача сообщений выполняется на короткие расстояния. ИД находятся в активном рабочем состоянии лишь во время сбора результатов измерений и переходят в состояние с пониженным энергопотребле-
нием после передачи данных в сеть на время оставшейся части цикла опроса. С целью сокращения длительности цикла выбрана бесконфликтная стратегия передачи данных. Для повышения надежности работы сети маршруты передачи данных многократно резервированы.
Структуры действующих сетей весьма разнообразны: звезды, кластерные деревья, сетки, позвоночники, мозаики и др. [7, 8]. В статье рассматривается сеть, имеющая мозаичную структуру квадратных полей. Граф БСС, включающей ЦК и 34 узла сети, представлен на рис. 1. Рассматриваемая структура часто встречается в ИИС мониторинга состояний зданий, промышленных сооружений и конструкций, складов, технологических линий.
Корнем графа является ЦК, вокруг которого на трех стратах расположены узлы сети с номерами 1—34. Каждый узел содер-
жит ретранслятор сообщений и кластер ИД, соединенный с ретранслятором беспроводной или проводной линией связи. Тонкими линиями помечены ребра графа, являющиеся радиолиниями передачи сообщений.
Расстояние доступа г между соседними по диагоналям ретрансляторами сообщений обеспечивает надежную радиосвязь. При передаче на расстояния, большие л/2 г, мощность сообщений не достигает порога восприятия приемников ретрансляторов и такие сообщения не принимаются. Выбор г обеспечивает надежную и экономичную передачу данных, определяется также плотностью размещения на объекте кластеров ИД и требуемым сроком службы узлов сети без их дополнительного обслуживания.
Узлы 1—8 отстоят на один шаг передачи сообщений от ЦК (узла 0) и относятся к первой
страте сети. Узлы 9—24 принадлежат ко второй страте; узлы 25—34 принадлежат к третьей страте, отстоящей на три шага передачи сообщений от центрального контроллера сети.
В предлагаемом конвейерном алгоритме выполняется последовательный циклический опрос узлов сети, расположенных вдоль начинающегося и заканчивающегося в ЦК [8] гамиль-тонова цикла. Из рассмотрения рис. 1 видно, что такой цикл всегда существует. Жирной ломаной линией со стрелками на рис. 1 показан один из возможных маршрутов опроса сети:
(0; 7; 22; 23; 33; 34; ... ;
32; 19; 20; 21; 6; 0). (1)
НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ СЕТИ
В процессе работы возможны отказы четырех компонентов сети: центрального контроллера; радиолиний связи из-за препятствий на пути прохождения радиоволн; приемо-пере-датчиков ретрансляторов сообщений; кластеров ИД.
Отказ ЦК наиболее критичен и приводит к выходу из строя сети, что может быть предотвращено горячим резервированием. Отказы линий связи не столь критичны, если для каждого участка маршрута имеются запасные обходные пути. Например, для показанного на рис. 1 участка маршрута (26, 27) имеются три запасных пути: (26, 10, 27), (26, 11, 27) и (26, 10, 11, 27).
В мозаичной структуре сети на рис. 1 для каждого участка маршрута (1) имеется не менее трех запасных путей. При отказе одного из путей доставки сообщений передающий ретранслятор заменяет отказавший путь доставки запасным и изменяет список приоритетов путей доставки сообщений, помещая от-
казавший путь в конец списка. При отсутствии возможных путей передачи сообщений на произвольном участке маршрута передающий ретранслятор исключает этот участок из маршрута опроса сети и посылает сообщение об этом центральному контроллеру сети.
При отказе приемо-передат-чиков ретранслятора или кластера ИД отказавший узел исключается из маршрута опроса сети и сообщение об этом передается в ЦК сети, где принимается решение о дальнейшей организации работы сети.
Если произошедший отказ участка маршрута опроса не является критическим, ЦК разрабатывает новый маршрут опроса сети. Производится перенастройка сети, и новый маршрут опроса сообщается всем РД, каждый из которых составляет список приоритетов путей передачи сообщений последующим ретрансляторам и инициируется новый цикл опроса сети.
Оценим надежность работы сети, содержащей N узлов. Каждый из узлов обслуживает свой кластер ИД. Для простоты рассуждений полагаем, что все ретрансляторы сообщений и кластеры ИД имеют одинаковые технические характеристики. Введем показатели вероятности безотказной работы устройств сети за время работы Тр: Рцк — центрального контроллера сети; Рдс — линии связи; Ррс — ретранслятора сообщений; Ркл — кластера ИД.
Число запасных путей обхода отказавшего участка маршрута составляет не менее трех. Полагаем отказавшие устройства сети (исключая радиолинии) невосстанавливаемыми, а отказы устройств — независимыми. Запишем оценку снизу вероят-
ности безотказной работы сети Pc(N) за время ее работы Тр в случае отсутствия отказов центрального контроллера, N линий связи и N узлов сети:
Pc(N) l Рцк{РрсРкл№с -- 3(Рлс)2 + (Рдс)3]}^- (2)
В качестве примера рассмотрим сеть, изображенную на рис. 1 при следующих исходных данных: N = 34, Тр = 2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.