Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4

Рисунок 8. Режимы работы сети

Таким образом, процесс формирования и восстановления сети осуществляется автоматически.

 

Пакет стандарта ZigBee имеет  несколько полей и уровней (рисунок 9). MAC-уровень организует взаимодействие между PHY и NWK уровнями, генерирует сообщения синхронизации (beacon) и синхронизирует устройство по времени (beacon-enabled network). На этом уровне осуществляется ассоциирование и дисассициирование участников сети.

Фрейм MAC-уровня инкапсулируется  в фрейм PHY-уровня. В свою очередь  фрейм NWK-уровня инкапсулируется в  фрейм MAC-уровня (рисунок 9).

Рисунок 9. Структура ZigBee пакета.

Вывод: PHY уровень отвечает за модуляцию, параметры сигнала, прием и передачу информации через физический радиоканал и т. д. MAC уровень - добавление/удаление устройств, доставка пакетов, подтверждение приема (ACK), CRC, сканирование и доступ к каналам связи (CSMA-CA), временное разделение и т. п.

2.2 Сетевой уровень (стандарт ZigBee)

Стандарт ZigBee определяет NWK  (Network Layer) и APL (Application Layer) уровни (рис.1).

NWK уровень взаимодействует  с MAC и APL уровнями. Он отвечает за формирование сети и маршрутизацию в сети. Маршрутизацией называется процесс составления пути прохождения пакета от источника получателю. Кроме того на этом уровне происходит назначение полнофункциональных устройств роутерами в случае необходимости. Следует отметить, что ограниченные устройства не могут осуществлять ретрансляцию, соответственно быть роутерами. NWK уровень координатора отвечает за создание новой сети и выбор сетевой топологии. Координатор присваивает сетевые адреса участникам.

APL-уровень осуществляет  выполнение приложений пользователя (до 240 приложений на одно устройство).Профиль  приложения представляет собой  набор   специфических команд, сообщений установленного формата  и выполняемых операций (рисунок 10) и определяется в пакетах с помощью 16-и битного идентификатора. Профиль позволяет взаимодействовать между собой устройствам различных производителей. Согласно спецификации ZigBee 2007 определены профили  автоматизации здания, управления бытовым освещением, управления бытовым оборудованием и медицинский контроль. Спецификация ZigBee позволяет использование частных профилей.

Кластером называется набор  определенных атрибутов. Кластеры введены  с целью облегчения администрирования  групп родственных атрибутов (рисунок 10). Допустим вместо того чтобы каждый раз перечислять атрибуты можно просто ссылаться на них используя номер кластера. Кластеры используются в технологии связывания и косвенной адресации. Идентификатор кластера имеет длину 8 бит.

Рисунок 10. Структура адресации стандарта ZigBee

Шлюзы используются для  интегрирования сети ZigBee c другими сетями, например – с Internet для удаленного мониторинга.

Вывод: NWK уровень - безопасность сети, трансляция сообщений, обработка сетевых процедур, сетевой менеджмент, маршрутизация, поддержка различных топологий и т. п.

 

2.3 Безопасность сети

Конфиденциальность передаваемой информации обеспечивается с помощью  шифрования по стандарту Advanced Encryption Standard – 128 (AES-128). Шифрование в спецификации ZigBee предусмотренно на трех уровнях: MAC, NWK и APS. Соответственно полезная нагрузка в пакетах этих уровней может быть зашифрована независимо друг от друга. Кроме шифрования спецификация ZigBee определяет процедуры аутентификации, которые не позволяют подключаться к сети неопознанным узлам. Также определены процедуры обмена ключами шифрования и порядок управления ими в сети.

 

2.4. Сетеобразование

Сетеобразование начинается с определения координатором  уровня энергии на всех доступных  частотных каналах и  выбора канала с наименьшим уровнем энергии. На следующем шаге координатор определяет наличие в нем других работающих ZigBee сетей и их идентификаторы. Затем координатор случайным образом выбирает идентификатор для своей сети из диапазона 0x0000-0x3FFE, отличный от  идентификаторов других сетей в том же частотном диапазоне. Сетевой 16-и битный адрес координатора всегда равен 0x0000.

Передача данных конечным устройством  осуществляется по следующему алгоритму:

 

Рис. 11.Алгоритм передачи устройства ZigBee.

В случае выпадения роутера из сети включается поиск альтернативных маршрутов (технология mesh) передачи сообщений, что  повышает отказоустойчивость системы.

 

2.5 Электромагнитная совместимость

Диапазон 2,4-2,483 ГГц используется промышленным и медицинским оборудованием, а также для проведения научных исследований. В данном диапазоне в Республике Беларусь функционирует стандарт 802.11.b (Wi-Fi) – (покрытие Минска составляет – 15 %) и Bluetooth.  Алгоритм СSMA/CA и адаптивная перестройка по частоте используются для обеспечения электромагнитной совместимости.

Пример реализации СSMA/CA:

 

Рисунок 12. Временная диаграмма работы алгоритма СSMA/CA.

Перед осуществлением передачи в выбранном канале производится проверка диапазона частот на занятость. При занятости частоты через  случайный промежуток времени производится повтор. Передача данных стандарта ZigBee осуществляется сразу же после прекращения передачи данных стандарта 802.11.b (рисунок 12).

Ширина канала 802.11.b составляет 22 МГц (рис.13).  При занятости частотного канала осуществляется программная перестройка на свободный канал.

Рисунок 13. Распределение частотных каналов стандартов 802.11.b и 802.15.4

Вывод: в стандартах IEEE 802.15.4/ZigBee заложены методы, позволяющие работать в условиях взаимных помех с другими стандартами передачи данных.

 

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОГО РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ РХБ РАЗВЕДКИ

 

Для реализации беспроводной системы РХБ разведки

Методика разработки любого радиотехнического устройства включает в себя следующие обязательные этапы:

1. разработку структурной  схемы;

2. разработку  принципиальной  электрической схемы и расчет ее отдельных элементов.

При этом сначала инженерно  обосновывается структурная схема, на ее базе осуществляется синтез и  конкретизация принципиальной электрической  схемы.

 

3.1. Разработка  предложений по инженерному решению  системы РХБ разведки на основе сенсорной сети

При разработке общей модели необходимо учитывать, что модель системы должна в полной мере отображать все возможности разрабатываемого программного продукта.

Применение сенсорной  сети в качестве платформы для  системы РХБ разведки позволяет получить следующие преимущества:

- длительный срок работы  РХБ датчика (сенсора) от одного  элемента питания;

- самоорганизация и  самовосстановление сети;

- возможность покрытия больших площадей (периметров) для РХБ разведки в краткие сроки за счет использования ретрансляции;

- минимальные требования  к окружающей среде и инфраструктуре;

- высокая автономность  сети в целом;

- минимизация человеческого  фактора.

Проведя анализ возможных  топологий сетевого построения, наиболее приемлемой является ячеистая топология. В данном случае благодаря избыточности сеть обладает высокой живучестью. Для мониторинга системы используется ПК (рисунок 13)

Рисунок 13. Структура системы РХБ оповещения

Координатор управляет  беспроводной сетью, производит сбор телеметрической информации и отправку в ПК. В ПК производится анализ полученной информации и визуализация состояния объектов.

Вывод: возможности ячеистой сенсорной сети удовлетворяют требования к системе РХБ разведки.

 

3.2. Разработка структурной схемы датчика (сенсора)

Радиационный датчик дожжен отвечать следующим требованиям:

- построен с применением  современной элементной базы;

- структурные элементы  интегрированы в единый модуль;

- защита от несанкционированного доступа;

- значительный цикл работы без замены элементов питания;

- иметь необходимую  степень защиты при эксплуатации  в «жестоких» условиях.

Структура радиационного датчика представлена на рис. 14.

Рисунок 14. Структура радиационного датчика.

Анализ рынка трансиверов стандарта ZigBee показал, что наиболее приемлемым для решения стоящей задачи считаю радиомодуль XBee Series 2, который имеет следующие преимущества перед остальными:

- Радиомодуль построен  на однокристальной системе Ember EM250, имеет встроенный 16-ти разрядный процессор и 128 килобайт энергонезависимой памяти;

- программное обеспечение  трансивера имеет открытый код,  что представляет широкие возможности  для конвертирования программного  кода под конкретную специализированную  задачу.

- радиомодуль управляется  как простыми AT-коммандами, так и API фреймами с возможностью инкапсуляции для управления и программирования удаленных модулей.

- сопряжение с трансивером  осуществляется по распространенному  протоколу UART.

Таблица 2.

Характеристики радиомодуля XBee Series2

Технология сети	ZigBee Mesh
Рабочая частота	2,4…2,4835 ГГц
Расстояние (внутри помещения)	400 метров
Расстояние (в зоне прямой видимости)	1200 метров
Скорость передачи в  радиоканале	250 000 бит
Скорость передачи по интерфейсу	1200…230400 бит
Чувствительность приемника	- 92 дБм
Максимальная выходная мощность	2 мВт
Напряжение питания	2,1…3,6 В
Ток (в режиме передачи)	38 мА
Ток (в режиме приема)	38 мА
Ток (режим энергосбережения)	<1 мкА

 

В качестве датчика используем промышленный датчик построенный на основе счетчика СТС-5.

В качестве элемента питания  используем никель-кадмиевый аккумулятор.

Таким образом, частная структура модуля имеет вид (рис. 15):

 

Рисунок 15. Структура радиационного датчика.

Вывод: разработанная структура датчика (сенсора) в полной степени годна для решения стоящей задачи.

 

3.3. Разработка принципиальной схемы устройства

Практическую часть  реализации системы РХБ разведки состоит :

- Разработка принципиальной схемы координатора;

- Разработка устройства  сопряжения координатора с ПК;

- Разработка принципиальной схемы радиационного датчика.

 

Разработка принципиальной схемы координатора-приемного модуля.

Координатор и устройство сопряжения схемотехнически целесообразно  исполнить одновременно. Принципиальная электрическая схема представленная на рисунке 16.

Для подключения координатора к ЭВМ использовал распространенный интерфейс USB. Трансивер XBee Series 2 имеет UART интерфейс. Для согласования USB-UART применяется микросхема FT232RL. Кроме того микросхема имеет встроенный высокостабильный источник напряжения + 3,3 В, от которого питается трансивер. Светодиоды VD1 и VD2 служат для индикации приема и передачи. VD3 – для индикации присоединения к сети. C1,C2 – конденсаторы для сглаживания питающего напряжения и устранения наведенных электромагнитных помех. Кнопка К1 осуществляет программный перезапуск координатора, К2 – перезапуск сети.(рис. 16)

 

Рисунок 16. Принципиальная схема координатора сети.

 

Разработка  принципиальной схемы радиационного датчика

Газоразрядный счетчик представляет собой цилиндрической формы конденсатор, к электродам которого подводится напряжение от источника тока. Но в отличие от ионизационной камеры внутренний электрод является анодом, а внешний – катодом. В цилиндрических детекторах создается неоднородное электрическое поле, где напряженность растет при движении от внешнего электрода к внутреннему (рис. 17).

Аналитически напряженность  неоднородного электрического поля цилиндрического детектора выражается зависимостью

,

где    – напряжение на электродах счетчика, В;

r – расстояние от оси анода до рассматриваемой точки в пространстве между электродами, м;

 – радиус катода, м;

 – радиус анода, м.

Таким образом, образовавшиеся под воздействием ионизирующих излучений электроны будут все с большей скоростью двигаться к аноду. Встречая на своем пути атомы и молекулы газа, электроны будут ионизировать их.

Кроме того, для создания лучших условий ударной ионизации пространство между электродами счетчика заполняется инертными газами при пониженном давлении. При понижении давления увеличиваются длина свободного пробега электронов и кинетическая энергия,