научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЯ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЯ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ»

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.

Показать целиком