Проектирование приёмного устройства терминального модуля сети под управлением стандарта IEEE 802.15.4

Массив данных зон  содержит сведения о детекторах, закрепленных за каждой наблюдаемой зоной, информацию о постановке на наблюдение, сведения о наличие срабатывания в данной зоне и ее название.

Протокол содержит все  события системы в хронометрическом порядке (компонент Memo1).

 

Установка начальных параметров модулей

 Конфигурирование  внутренних параметров модуля  осуществляется в командном режиме  один раз на заводе-производителе. Для перехода в этот режим используется команда «+++», причем до и после команды должна быть пауза определенной длительности. Данный механизм предотвращает случайный переход в командный режим. После перехода в такой режим поступающие по UART данные интерпретируются как команды. Для управления модулем создан набор специальных AT-команд.

Каждая AT-команда представляет собой текстовую строку, которая начинается символами  «АТ». Далее следует код команды, пробел, параметр команды и символ «возврат каретки» (<CR>, код 0x0D). Например, команда, изменяющая младший байт адреса модуля на  «0х1F» выглядит так: ATDL 1F <CR>. Для сохранения измененных параметров модуля в энергонезависимой памяти используется команда записи WR (Write). Если не подать команду WR, то после выключения и повторной подачи питания будет восстановлен предыдущие значения параметров. Каждая подаваемая команда сначала распознаются модулем и затем исполняется. В случае успешного выполнения модуль выдаст строку «OK» по линии DO. Если команду не удалось исполнить, сообщение «ERROR» поступает в ПК.  

Загрузка команд и  данных в модули осуществляется при  помощи API-функций. При использовании радиомодулей в оконечных детекторах используется только API-режим, который позволяет конфигурировать модули удаленно. В то время, как АТ-режим требует непосредственного контакта с детектором.

 

Проведение  эксперимента

Оценка качества беспроводного соединения (Link)

В приемном модуле и радиационном датчике использованы идентичные трансиверы. Чувствительность приемника равна -92 дБ. Радиомодуль XBee имеет встроенный измеритель уровня принимаемого сигнала. Для нормальной работы в сети количество пакетов с ошибками не должно превышать 1%. Ослабляя сигнал между устройствами периодически проводился замер уровня принимаемого сигнала и подсчитывался процент пакетов с ошибками. Измерения проводились для различной длины пакетов – 100, 20 и 6 байт.  Результаты приведены на рисунке 30.

Рис. 30. Графики % принятых поврежденных пакетов от уровня принимаемого сигнала для длин пакетов – 100, 20 и 6 байт.

Существенное влияние  на уровень приема оказывает приемная и передающая антенны. При проведении эксперимента использовалась дипольные антенны с коэффициентом направленного действия равным 6,5 дБ (рис. 31).

Рисунок 31. 2-х и 3-х мерная диаграммы направленности дипольной антенны на частоте 2,4 ГГц

Теоретический расчет затухания сигнала производиться по следующей формуле:

, (1)

где N – коэффициент затухания. N=2 при идеальных условиях. N=2.05-2.5 – для открытого пространства и прямой видимости. N=3.0-4.0 – при использовании в помещении.

f – частота в МГц;

d – расстояние в километрах.

В реальных условиях затухание  увеличивается из-за таких явлений  как рефракция, дифракция и рассеяние. Кроме того имеется еще ряд  факторов, ухудшающих качество связи:

• потери в антеннах;
• многолучевой прием;
• интерференция с сигналами от других источников
• фоновый шум в радиоканале.

Измерение дальности  проводилось на открытой местности  и в здании. Результаты приведены  в таблице 3.

Таблица 3.

Измеренные максимальные расстояния устойчивой связи

Место измерения	Режим радиомодуля	Максимальное расстояние
Открытая местность	режим повышенной мощности	390 метров
Здание	обычный режим	215 метров
Открытая местность	режим повышенной мощности	35 метров
Здание	обычный режим	19,5 метров

 

В режиме повышенной мощности происходит повышение уровня передачи на 2 дБ и уменьшение уровня приема на 1 дБ.

 

Время действия сети до замены источника питания

Координатор питается от стационарного источника питания  и не оказывает влияния на длительность работы сети. Сенсор работает литий-ионного  источника питания емкость 1 Ач.

Расчет времени действия сети производиться по следующей  формуле

,   (4)

Где - емкость источника питания, Iср –средний потребления модулем – рассчитывается по формуле:

,   (5)

где - потребляемый ток в режиме  передачи (38 мА+12 мА=50мА), - потребляемый ток в режиме сна (1 мкА), - время работы в режиме передачи в одном периоде цикла, - время работы в режиме передачи в одном периоде цикла (параметр задается от 0 до 258 секунд).

Расчет производился по алгоритмам предоставленным производителем (Digi).

Для передачи 32 байт данных циклически каждые 256 секунд средний ток потребления составляет Iср=0,039 мА, и длительность работы сети – 7,86 лет.

График зависимости времени действия сети от времени цикла сна, значение которого обратно пропорционально необходимой частоте получения данных от сенсора (рис. 32).

Рисунок 32. График зависимости времени работы сети от периода цикла сна

При времени цикла  сна равном нулю трансивер постоянно  передает данные, т.е. не «засыпает» вообще, и время действия сети составляет 0,021 лет.

Из формулы (4) с увеличением емкости источника питания возрастает пропорционально время действия сети. В тоже время учитывается, что в источнике питания присутствует ток саморазрядки, который может значительно снизить срок действия сети.

Вывод: применение циклического сна для датчиков значительно увеличивает срок службы беспроводной сети до замены элемента питания. Так, при периоде сна 20 секунд срок работы от батареи составляет более полугода.

 

Установка начальных  параметров модулей

Конфигурирование внутренних параметров модуля осуществляется в  командном режиме. Для перехода в этот режим используется команда «+++», причем до и после команды должна быть пауза определенной длительности. Данный механизм предотвращает случайный переход в командный режим.  После перехода в такой режим поступающие по UART данные интерпретируются как команды. Для управления модулем создан набор специальных AT-команд.

Каждая AT-команда представляет собой текстовую строку, которая начинается символами «АТ». Далее следует код команды, пробел, параметр команды и символ «возврат каретки» (<CR>, код 0x0D). Например, команда, изменяющая младший байт адреса модуля на  «0х1F» выглядит так: ATDL 1F <CR>. Для сохранения измененных параметров модуля в энергонезависимой памяти используется команда записи WR (Write). Если не подать команду WR, то после выключения и повторной подачи питания будет восстановлен предыдущие значения параметров. Каждая подаваемая команда сначала распознаются модулем и затем исполняется. В случае успешного выполнения модуль выдаст строку «OK» по линии DO. Если команду не удалось исполнить, сообщение «ERROR» поступает в ПК.

Согласно протоколу  пакеты пересылаются, используя 16-ти или 64-х битную адресацию. Каждому модулю при производстве назначается уникальный 64-х битный IEEE адрес. Этот адрес можно прочитать с помощью команд SL (Serial Address Low) и SH (Serial Address High). Для отсылки радиопакета на модуль с определенным адресом необходимо задать адрес этого модуля командами DL (Destination Address Low) и DH (Destination Address High). Для передачи пакета можно также использовать 16-ти битную адресацию. В этом случае DH устанавливается равным «0х00000000».

Вывод: Структура и алгоритм программы имеет простой и понятный интерфейс. Это способствует быстрому обучению личного состава для работы с устройством. Приема/передатчики по результатам экспериментов отвечают требованиям для нормальной работы в сети. Антенны обеспечивают необходимую дальность между устройствами.

 

ГЛАВА IV. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

 

4.1 Экономическая оценка разработки приложения

Стратегия развития экономики  Республики Беларусь – повышение эффективности общественного производства. Она предопределяет рациональное использование всех возможностей и богатств, которыми располагает национальная экономика. В условиях рыночной экономики, жестких бюджетных ограничений уровень боевой готовности войск все больше зависит не только от объема ресурсов, выделяемых на оборону и безопасность страны, но и от эффективности их использования.

Результат выполнения дипломного проектирования относится к научно-технической  продукции. В условиях рыночных отношений научно-техническая продукция также является товаром. Учитывая характер дипломной работы можно ограничиться расчетом ориентировочной цены основного результата, базирующимся на укрупненной себестоимости и цены научно-технической продукции.

Расчет цены основного  результата дипломной работы осуществляется в следующей последовательности:

а) Определяются материальные затраты на выполнение работ по теме, включая стоимость покупных комплектующих  изделий на изготовление макетов  и опытных образцов.

Материальные затраты ( )  на производство системы радиационного оповещения в промышленных масштабах с n-количеством детекторов производится по следующей формуле :

,     (6)

где - стоимость производства приемного модуля – координатора, n – количество детекторов в системе (1-1000), - стоимость производства беспроводного детектора, - стоимость ЭВМ, - стоимость зарядного устройства.

В свою очередь стоимость  производства приемного модуля состоит  из суммарной стоимости составляющих компонентов (Таблица 4)

Таблица 4.

	Наименование	Стоимость	Кол-во	Итого
	XBee Series 2	34200	1	34200
	FT232RL	19950	1	19950
	Конденсатор	100	2	300
	Светодиод	70	3	210
	Разъем USB	300	1	300
	Резистор	50	2	100
	Переключатель	200	1	200
Итого				55260

 

Стоимость производства сенсора подсчитывается аналогично (Таблица 5)

 

Таблица 5.

	Наименование	Стоимость	Кол-во	Итого
	XBee Series 2	34200	1	34200
	Счетчик типа	15000	1	15000
	Конденсатор	100	6	600
	Светодиод	70	1	70
	Резистор	50	6	300
	Переключатель	200	2	400
	Корпус	3000	1	3000
	Диод	150	4	600
	Транзистор	200	3	600
Итого				54770

 

Стоимость ЭВМ ( ) варьируется в широких пределах. Необходимо минимальные требования к ЭВМ для запуска программного обеспечения:

- процессор от 400 МГц  и выше;

- объем оперативной  памяти: 128 Мб и выше;