25. Глушко А. А., Шахнов В. А. Особенности трехмерного моделирования КНИ МОП-транзисторов с непрямым затвором // Микроэлектроника. - 2012. - Т. 41, № 2. -С. 83-89.
26. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 408 с.
27. Sentaurus Device User Guide. Mountain View (California USA): Synopsys, 2010. - 994 p.
Алексей Владимирович Амирханов — канд.
физ.-мат. наук, рук. группы отделения
микротехнологий (ОМТ) НИИСИ РАН;
® 8(495) 737-06-06
Алексей Алексеевич Гладких — канд. техн. наук, научн. сотрудник НИИСИ РАН;
® 8(495) 737-06-06
Андрей Александрович Глушко — канд. техн. наук, доцент кафедры "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры"МГТУ им. Н. Э. Баумана;
® 8-499-263-65-53
E-mail: nanosystems@iu4.ru
Владимир Васильевич Макарчук — канд. техн. наук, доцент кафедры "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры"МГТУ им. Н. Э. Баумана;
® 8-499-263-65-53
E-mail: nanosystems@iu4.ru
Антон Сергеевич Новоселов — инженер НИИСИ РАН;
® 8(495) 737-06-06
Илья Анатольевич Родионов — канд. техн. наук, директор НОЦ "Наноплазмоника и сложные функциональные системы"МГТУ им. Н. Э. Баумана;
Вадим Анатольевич Шахнов — д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, зав. кафедрой "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры" МГТУ им. Н. Э. Баумана, член-корреспондент РАН.
® 8-499-263-65-52
E-mail: shakhnov@iu4.bmstu.ru □
УДК 53.08
ИССЛЕДОВАНИЯ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ1
Н. А. Денисенко, А. В. Лавров, К. А. Муравьев, А. И. Чебова
Рассмотрены особенности разработки программно-аппаратного комплекса экспериментальных исследований сенсорной сети датчиков давления с применением стека протоколов ZigBee для передачи данных. Проведен анализ и выбор модулей и микросхем для реализации беспроводной сенсорной сети. Рассмотрен экспериментальный лабораторно-демонстрационный стенд и методика экспериментальных исследований сенсорной сети датчиков давления. Даны рекомендации по применению сенсорных систем датчиков давления на основе протокола ZigBee. Ключевые слова: сенсорные сети, датчики давления.
ВВЕДЕНИЕ
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) — это беспроводная система, представляющая собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных вычислительных устройств с автономным источником питания. Узлы такой системы транслируют сообщения друг через друга, обеспечивая значительную площадь покрытия сетью при малой мощности передатчика (табл. 1) [1, 2].
Первоначально предназначенные для использования в военных целях, сенсорные сети стали активно применяться и для гражданских нужд. На сегодняшний день рынок беспроводных датчиков активно развивается, создан ZigBee альянс для промышленной поддержки новой технологии, в который входят более 100 компаний [3].
1 Работа выполнена в рамках НИОКР по государственному заданию 7.6161.2011 "Гибридные чувствительные элементы интеллектуальных сенсоров распределенных управляющих систем ".
Обмен информацией между узлами системы происходит по беспроводным каналам связи по протоколу ZigBee [4]. Данный протокол предоставляет возможности реализации беспроводной связи с низким энергопотреблением для множества приложений, которые осуществляют функции наблюдения и/или управления.
Протокол ZigBee — это международный открытый стандарт, контролируемый объединением ZigBee Alliance, который был создан на основе стандарта IEEE802.15.4 для пакетной беспроводной передачи данных [4]. Он обеспечивает гибкие, расширяемые сетевые топологии, содержит встроенные функции для организации сетей и маршрутизации передаваемых данных, обеспечивает простую установку и высокую устойчивость к сбоям, полноценные меры по безопасности, преодолевает традиционные ограничения маломощных беспроводных сетевых решений, такие как малая дальность и ограниченное покрытие, а также уязвимость к сбоям в узле и в радиолинии.
Таблица 1
Сравнение характеристик стандартов БСС
Технология Стандарт Использование Скорость передачи, Mbps Радиус действия, м Частоты, ГГц
Wi-Fi 802.11 a WLAN 54 300 5
Wi-Fi 802.11 b WLAN 11 300 2,4
Wi-Fi 802.11 g WLAN 54 300 2,4
Wi-Fi 802.11 n WLAN 450 300 2,4 и 5
WiMax 802.16 d WMAN 75 (25...80)-103 1,5...11
WiMax 802.16 e WMAN, mobile 40 (1...5)-103 2,3...13,6
WiMax 2 802.16 m WMAN 1000 (120...150)-103 -
Bluetooth 1.1 802.15. 1 WPAN 1 10 2,4
Bluetooth 2.0 802.15. 3 WPAN 2,1 100 2,4
Bluetooth 3.0 802.11 WPAN 3-24 100 2,4
ZigBee 802.15.4 WPAN 240 1...100 2,4
Наиболее популярными прикладными областями для технологии БСС являются мониторинг объектов, процессов и систем (например, охранный мониторинг), супервизорный контроль и управление (климат-контроль, системы промышленной автоматики и управления), удаленная идентификация и локализация объектов (трекинг) [1-5].
СТРУКТУРА И СОСТАВ МОДЕЛЬНОГО СТЕНДА СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
При внедрении распределенных сенсорных ZigBee систем актуальной задачей является проведение предварительного натурного моделиро-
Сенсорный дисплей
Одноплатный компьютер
Подсистема обработки и отображения информации
Модуль ZigBee (координатор сети)
Подсистема
сбора и передачи информации
Датчики давления
А. Модуль ▼ Модуль ■А Модуль
ZigBee ZigBee ZigBee
Датчики освещения
à
Датчики температуры
Подсистема задания измеряемого давления
Рис. 1. Структурная схема модельного стенда сенсорной сети
вания топологии и архитектуры проектируемом сети. Для оперативного решения данной задачи предлагается использовать экспериментальный стенд, который состоит из трех подсистем: подсистемы задания измеряемого давления, подсистемы сбора и передачи информации и подсистемы обработки и отображения информации (рис. 1).
Подсистема сбора и передачи информации решает задачи опроса датчиков давления и передачи их показаний на вход подсистемы обработки и вывода информации, которая в свою очередь преобразует полученный данные в удобочитаемый вид и производит их графическое и текстовое отображение. Состав подсистем и включенные в них узлы представлены в табл. 2.
Стенд (рис. 2) состоит из датчиков давления, освещенности и температуры, к каждому датчику подключен модуль ZigBee, питание каждого осуществляется от аккумуляторов, что позволяет модулям работать автономно. Еще один модуль ZigBee подключен к одноплатному компьютеру по интерфейсу RS-232, его питание может осуществляться как от аккумуляторов, так и от источника питания +9...+30 В.
Также к одноплатному компьютеру подключен сенсорный дисплей по интерфейсу HDMI с обратной связью по USB. Управление одноплатным компьютером может осуществляться напрямую при помощи подключенных к нему клавиатуры и мыши или удаленно, используя протокол удаленного доступа SSH.
ПОДСИСТЕМА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ С ДАТЧИКОВ
Подсистема ввода информации с датчиков, например датчиков давления, предполагает сбор данных и их передачу в вычислительную систему. Сбор данных использует комбинацию модульного оборудования, прикладного ПО (в том числе программирование датчиков) и вычислительного
Рис. 2. Схема лабораторного модельного стенда сенсорной сети
блока для проведения измерений. Оборудование для сбора данных действует как интерфейс между компьютером и внешним миром. Алгоритм ввода аналоговой информации в цифровую систему представлен на рис. 3 [5—8].
Состав подсистем модель
Первая операция осуществляется с помощью первичного измерительного преобразователя — датчика; вторая — специальной электрической схемой (неуравновешенный мост постоянного тока, электронный потенциометр и др.); третья опе-
Таблица 2
го стенда сенсорной сети
Подсистема Узел Описание
Подсистема задания измеряемого давления Датчики давления Пневмоблок типа П-ФРК [5, 6, 8] Реле давления типа SDE5, диапазон давления 0...10 бар, встроенный микропроцессор, светодиодная индикация состояния Предназначен для автоматического поддержания величины давления на заданном уровне
Подсистема сбора и передачи информации Модули передачи данных по протоколу беспроводной связи ZigBee XA-Z14-CS2PH-W [5, 6, 8] — Xbee-Pro адаптер, имеющий внешнюю антенну для усиления мощности сигнала, а также интерфейс RS-232, используемый для подключения к одноплатному компьютеру посредством протокола UART XA-Z14-CS5PH-W [5, 6, 8] — Xbee-Pro адаптер, имеющий внешнюю антенну для усиления мощности сигнала, а также 6 аналоговых линий ввода-вывода, используемых для подключения к датчику давления и принятия информации от него
Подсистема обработки и отображения информации Одноплатный компьютер Raspberry PI [5, 6, 8] LCD дисплей Одноплатный компьютер на базе процессора ARM11 [5, 6, 8] c тактовой частотой 700 МГц и 512 Мбайт оперативной памяти Chalkboard Electronics 10'' LCD [5, 6, 8] дисплей с разрешением 1280 х 800 пикселей с интегрированным конденсаторным сенсорным экраном
Преобразование неэлектрической физической величины в электрический параметр
Преобразование электрического 2 параметра в напряжение
•и-
Приведение диапазона и верхнего 3 значения напряжения от датчиков к одному диапазону, оптимальному для АЦП
■От
Коммутирование — поочередное 4 подключение сигналов от датчиков
■От
Управление работой АЦП для преобразования аналогового сигнала от датчиков в цифровой код
-и-
Ввод цифрового кода в цифровую 6 систему
Рис. 3. Алгоритм ввода аналоговой информации с датчиков
рация выполняется с помощью масштабных усилителей на операционных усилителях; четвертая операция осуществляется аналоговым коммутатором или мультиплексором, управление ими возможно разрядами порта программируемого параллельного интерфейса; пятая операция может осуществляться портом ПК программируемого параллельного интерфейса; шестая операция может осуществляться портами интерфейса, ввод может быть осуществлен побайтно через порты.
Адаптированная для стенда тестирования сенсорной ZigBee сети система ввода информации с датчиков давления в вычислительную систему осуществляется в несколько этапов (рис. 4) [8]. Сбор данных начинается с физическ
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.