Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4

ВООРУЖЕННЫЕ СИЛЫ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ   Дипломный проект к защите допущен Начальник кафедры №42 полковник «__»___________2009 г.       Тема: Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под  управлением стандарта IEEE 802.15.4     ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к дипломному проекту       Исполнитель:   Руководитель   Рецензент:   Минск 2009

УЧРЕЖДЕНИЕ  ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЕННАЯ  АКАДЕМИЯ  РЕСПУБЛИКИ  БЕЛАРУСЬ»     УТВЕРЖДАЮ Начальник кафедры № 42 полковник «___»_____________2009г.   ЗАДАНИЕ на дипломный проект     Курсанту Сергиени Алексею Михайловичу   Тема: Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4   (утверждена  приказом по академии № 945 от 12 декабря 2008г.)   1.Исходные  данные к проекту: 1. Возможности и характеристики отечественных и зарубежных приборов РХБ обнаружения; 2. Основные цели, задачи и функции низкоскоростной системы передачи данных стандарта ZigBee.   2.Содержание  пояснительной записки: 1. Введение; 2. Тактико-техническое обоснование дипломного проекта; 3. Разработка структуры системы РХБ разведки; 4. Разработка инженерного решения системы РХБ разведки; 5. Экономическое обоснование; 6. Заключение.   3.Перечень  обязательного графического материала: 1. Схема программы. 2. Схемы, поясняющие принцип работы.   4.Основная литература: 1. IEEE Std 802.15.4–2006. IEEE standard for local and metropolitan area networks, IEEE, 8 September 2006 2. ZigBee wireless networks and transivers – 2007, Shanin Farahani 3. С++ Builder 6. Справочное пособие, Архангельский А.Я., 2002, Москва, Издательство БИНОМ   5. Дата выдачи задания            «28»декабря 2008г.   6. Сроки представления: - плана работы руководителю:    «15» марта 2009г. 1) черновик 25%                     «01» апреля 2009г. 2) черновик 50%                     «15» апреля 2009г. 3) черновик 75%                     «30» апреля 2009г. 4) черновик 100%                   «15» мая 2009г - законченной работы (проекта, задачи): 1) руководителю                     «25» мая 2009г. 2) рецензенту                                    «30» мая 2009г. 3) начальнику кафедры                    «01» июня 2009г.            на допуск к защите   Руководитель: полковник                                    Машкин Е.В.   Задание принял к исполнению: курсант          Сергиеня А.М.                                                 УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЕННАЯ  АКАДЕМИЯ  РЕСПУБЛИКИ  БЕЛАРУСЬ»         ОТЗЫВ на дипломный проект     Курсанта: Сергиени Алексея Михайловича Руководитель: Начальник цикла кафедры №42 – профессор, к.т.н. подполковник  Машкин Евгений Вячеславович   Отзыв руководителя составляется в произвольной форме. Должна содержать объективную оценку выполненной работы и отражать следующие  основные вопросы: Соответствие содержания проекта (работы) дипломному заданию. Полнота, глубина и обоснованность решения поставленных вопросов. Степень самостоятельности курсанта, его инициативность умение обобщать работы по специальности и делать соответствующие выводы. Способность к проведению экспериментов, умение делать соответствующие выводы. Степень усвоения, способность и умение использовать знания по общетехническим и специальным дисциплинам. Вопросы, особо выделяющие проект (работу) курсанта, недостатки проекта (работы). Соответствие задания и содержания дипломного проекта (работы) основной цели – проверке знаний и степени подготовленности слушателя (курсанта) по своей специальности. Полнота, глубина и обоснованность поставленных вопросов. Грамотность изложения технических вопросов, стиль записки, качество чертежей. Актуальность темы, положительные стороны и недостатки проекта (работы), использование новейших достижений науки и техники. Возможность и место практического использования проекта (работы) или его отдельных частей. Предлагаемая  оценка проекта (работы).

ВОЕННАЯ  АКАДЕМИЯ  РЕСПУБЛИКИ  БЕЛАРУСЬ             РЕЦЕНЗИЯ на дипломный проект     Курсанта: Сергиени Алексея Михайловича Рецензент: старший преподаватель кафедры №41 подполковник Тяжелов  Е.А.          Рецензия составляется в произвольной форме. Должна содержать объективную оценку выполняемой работы и отражать следующие основные вопросы: Соответствие содержания работы дипломному заданию. Степень и качество выполнения задания, качество выполнения задания, качество его оформления. Оперативно-тактическую, военно-экономическую и техническую целесообразность принятых решений. Соответствие задания и содержания дипломной работы основной цели – проверке знаний и степени подготовленности курсанта по своей специальности. Полнота, глубина и обоснованность поставленных вопросов. Грамотность изложения технических вопросов, стиль записки, качество чертежей. Актуальность темы, положительные стороны и недостатки работы, использование новейших достижений науки и техники. Возможность и место практического использования работы или его отдельных частей. Предлагаемая оценка работы. Другие вопросы по усмотрению рецензента.

СОДЕРЖАНИЕ

Лист

Введение 16

I. Тактико-техническое обоснование дипломного проекта 17

1.1. Введение в главу 17

1.2. Особенности ведения радиационной и химической разведки, радиационного и химического контроля 17

1.3. Требования, предъявляемые к системе раннего радиационного оповещения. Облик и архитектура перспективной системы на основе сенсорной сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee 28

1.4. Постановка задачи 30

II. Разработка структуры системы РХБ разведки 31

2.1. Физический и MAC-уровень (стандарт 802.15.4) 31

2.2. Сетевой уровень (стандарт ZigBee) 43

2.3. Безопасность сети 44

2.4. Сетеобразование 45

2.5. Электромагнитная совместимость 46

III. Разработка инженерного решения системы РХБ разведки 48

3.1. Разработка предложений по инженерному решению системы РХБ разведки на основе сенсорной сети 48

3.2. Разработка структурной схемы датчика (сенсора) 50

3.3. Разработка принципиальной схемы устройства 52

3.4. Разработка программного обеспечения для отображения информации о состоянии датчиков 59

IV. Экономическое обоснование 72

4.1. Экономическая оценка разработки приложения 72

4.2. Расчет и оценка технической надежности устройства 75

Перечень сокращений 82

Заключение 83

Литература 84

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 85

 

ВВЕДЕНИЕ

В конце прошлого века радикально трансформировалась сущность войны и вооружённой борьбы. В войнах и вооруженных конфликтах вооружённая борьба оказалась отодвинутой на второй план, уступив приоритет политическим, дипломатическим, экономическим, информационным и иным формам противоборства.

Последние вооруженные конфликты указывают на необходимость повышения мобильности частей и подразделений. Быстрое развертывание и свертывание подразделений, их скорое перемещение, снижает вероятность поражения средствами ВТО и ОМП противника.

В условиях применения данного вида вооружения, действия войск ограничены из-за возможного наличия в воздухе отравляющих веществ. Следовательно, одной из первоочередных задач выступает радиационное оповещение.

Стремительное развитие информационных технологий показывает, что при разработке современных систем передачи информации особое внимание уделяется таким характеристикам, как надёжность, низкая стоимость, длительный срок службы батарей и легкость развёртывания. Особенно актуален этот вопрос для Вооружённых Сил, т. к. в условиях современной войны именно своевременное получение и обработка информации позволяют оперативно оценивать обстановку и своевременно принимать решение.

В работе проведен сравнительный анализ существующего радиационного контроля и оповещения в случае опасности, выявлению недостатков и принятию инженерного решения по устранению выявленных недостатков, разработке автоматизированной системы радиационного оповещения на основе интеллектуальных сенсоров беспроводной сети связи под управлением стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee.

 

ГЛАВА I ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ДИПЛОМНОГО  ПРОЕКТА.

 

1.1 Введение

На современном этапе  развития Вооружённых сил Республики Беларусь РХБ защита организуется и  осуществляется с целью максимального  снижения потерь войск при действиях  в условиях РХБ заражения, повышения их защиты от высокоточного и других видов оружия.

Основными задачами РХБ  защиты являются выявление РХБ обстановки, защита личного состава от радиоактивных, отравляющих, других токсичных химических веществ и биологических средств, снижение заметности войск и объектов, применение огнеметно-зажигательных средств.

Выявление РХБ обстановки организуется с целью обеспечения  органов военного управления необходимой  информацией о фактах, масштабах  и последствиях применения противником  ОМП, аварий (разрушений) на радиационно, химически и биологически опасных объектах (далее – РХБ опасные объекты) для принятия ими решения на действия войск в условиях РХБ заражения и применения противником ОМП. Оно проводится путем засечки ядерных взрывов, радиационной, химической и биологической разведки  и контроля, сбора и обработки данных о ядерных взрывах и РХБ обстановке.

В условиях широкого применения противником оружия массового поражения, возможных разрушениях (авариях) на объектах атомной энергетики и химической промышленности задачи РХБ защиты усложняются, их объем возрастает, а допустимые сроки выполнения мероприятий РХБ защиты сокращаются.

 

1.2. Особенности  ведения радиационной и химической  разведки, радиационного и химического  контроля

Эффективность РХБ защиты подразделений, частей и соединений от радиоактивных и сильнодействующих ядовитых веществ зависит прежде всего от своевременного выявления фактической радиационной и химической обстановки, сложившейся при разрушении объектов атомной энергетики и химической промышленности. Поэтому первоочередной задачей, которую необходимо выполнить после разрушения этих объектов, является четкая организация и умелое ведение радиационной и химической разведки.

Основными задачами радиационной, химической разведки являются: определение направления и скорости перемешивания радиоактивного облака и паров СДЯВ; установление границ зон заражения, уровней радиации и вида СДЯВ; выявление путей обхода зон заражения и районов местности, безопасных для подразделений и частей; отбор проб почвы, воды, растительности и  воздуха для определения альфа- и бета- зараженности; осуществление контроля за изменением степени зараженности местности, воды и воздуха, как в районе разрушенных объектов атомной энергетики и химической промышленности, так и на направлениях распространения радиоактивного облака и паров СДЯВ.

Осколочное гамма-излучения  является основным компонентом, вклад  которого в суммарную дозу на поверхности  земли зависит от мощности взрыва. Осколочное гамма-излучение относится к наиболее длиннопериодным компонентам проникающей радиации, действие которого проявляется в течение 10 – 30 с после взрыва.

Поражающее действие нейтронов и гамма-излучения обуславливается  их способностью ионизировать среду  и создавать радиационные нарушения в материалах. Поражение личного состава определяется в основном ионизирующим действием проникающей радиации.

Особенностью воздействия  проникающей радиации высотного  взрыва является существенно большая  анизотропия излучения, воздействующего  на РЭО, чем при взрыве в плотных слоях атмосферы. При действии жесткого рентгеновского излучения выход из строя материалов и элементов РЭО может происходить в результате воздействия тепловых, термомеханических и ионизационных эффектов. Характер тепловых эффектов зависит от степени однородности материала, теплопроводности и т. п. Примерами тепловых эффектов могут служить плавление и разбрызгивание припоя, изменение свойств феррита и оптических элементов.

При термомеханических  эффектах разрушение элементов происходит за счет напряжений, возникающих при импульсном нагреве. Такой эффект проявляется на соединении «кристалл-токоотвод» в полупроводниковых приборах.

Тепловые и термомеханические  эффекты вызывают, главным образом, необратимые повреждения элементов  РЭО.

Ионизационные эффекты приводят к обратимым изменениям: временному увеличению проводимости диэлектриков, изменению режимов работы РЭО, разряду конденсаторов и т. п.

Основное влияние на работу средств радиосвязи оказывает  нижняя область повышенной ионизации. Влияние НОПИ на работу средств связи  в основном проявляется в ухудшении  слышимости и уменьшении дальности  распространения радиоволны. Степень  воздействия ядерного взрыва на работу средств радиосвязи определяется частотой системы связи, протяженностью и расположением линий связи относительно места взрыва, запасом мощности систем и т. д.

Особенностью сверхдлинных волн (менее 10^-2 МГц) является их волноводный характер распространения, что не вызывает серьезных нарушений радиосвязи в этом диапазоне.

Связь на длинах (3*10² – 3*10^-1 МГц) и средних (3*10^-1 – 3 МГц) волнах может осуществляться как прямым лучом, распространяющимся вдоль поверхности земли, так и пространственным, когда радиоволны распространяются в волноводе «земля – нижняя граница ионосферы». При связи пространственным лучом длинные и средние волны в слоях повышенной ионизации сильно поглощаются. Нарушение в работе длинноволновых линий связи проявляется в значительном затухании сигнала сразу же после взрыва (в течение времени от секунд до нескольких минут) и в возникновении дополнительного поглощения до нескольких суток. Радиолинии, проходящие на расстояниях более 3000 км от эпицентра взрыва, заметному влиянию не подвергаются.

На радиолиниях средневолнового  диапазона полное нарушение связи (до нескольких суток) возможно на трассах, проходящих в радиусе 1000 км от эпицентра взрыва, и в течение нескольких часов в радиусе 2000 км от эпицентра взрыва. На радиолинии, удаленные свыше 5000 км от места взрыва, влияние взрыва не существенно.

На связь, осуществляемую прямым лучом между объектами, находящимися ниже ионизированной области, ядерный  взрыв практически не влияет.

Короткие волны (3 – 30 МГц) распространяются путем последовательного отражения от поверхности земли и ионосферы. Поскольку критическое значение электронов, при котором происходит полное отражение радиоволн (10¹¹ – 10¹³ М^-3), степень и продолжительность нарушения коротковолновой связи, уменьшается с увеличением рабочей частоты и удалением радионаправления от эпицентра взрыва. Радиус зоны нарушения работы линий коротковолновой связи, приближенно, определяется дальностью прямой видимости из точки взрыва. Продолжительность нарушения коротковолновой связи внутри этой зоны на различных линиях колеблется в широких пределах и зависимости от расположения линий радионаправлений относительно эпицентра взрыва, рабочей частоты, их протяженности, направления движения поглощающей области и характера изменения концентрации электронов в ней со временем.

Ультракороткие волны (30 – 3*10³ МГц) применяются в основном для связи на короткие расстояния в пределах прямой видимости. В целом ультракоротковолновой диапазон радиоволн наименее всего подвержен влиянию высотного ядерного взрыва.

 

Методы и  оборудование для контроля за РХБ  обстановкой в РБ.

Радиационную и химическую разведку  в бою организует  начальник службы РХБ защиты силами и средствами воздушных и наземных разведывательных органов.

Наземная разведка в  районах разрушения объектов атомной энергетики и химической промышленности ведется всеми родами войск и специальными войсками силами штатных подразделений радиационной и химической разведки, а также специально подготовленными отделениями (экипажами, расчетами) рот (батарей) с использованием табельных приборов разведки.

Задача по засечке ядерного взрыва возлагаются на штатный химический наблюдательный пост батальона, который оснащается артиллерийской буссолью или биноклем, часами, секундомером, светозащитными очками ОПФ, костюмом защитным сетчатым КСЗ.

На основе визуальных явлений при ядерном взрыве расчет наблюдательного поста определяет: время взрыва; длительность свечения светящейся области; время прихода  ударной волны; азимут взрыва; угловой  размер диаметра облака и угол наблюдения центра облака.