pr 2.4 - Научного Центра МТУСИ

Приложение 2.4
Научно-информационный материал «Современные и перспективные
технологии построения беспроводных сенсорных сетей»
На протяжении всей своей истории человечество стремится создать себе
наиболее комфортную и безопасную среду для жизни и работы и, стоит признать,
уже добилось на этом пути немалых успехов. Не будем даже пытаться перечислить,
какое количество разнообразных устройств и механизмов работают для достижения
этой цели. Следующим витком продвижения в этом направлении обещают стать
сенсорные сети.
Сенсорные сети представляют собой распределенное в пространстве
множество датчиков и исполнительных устройств, объединенных между собой
посредством радиоканала. Применяться подобные сети могут в огромном спектре
приложений: домашняя и промышленная автоматизация, контроль микроклимата,
охранно-пожарные системы, учет и оптимизация потребления водоэнергоресурсов и
т.д. Причем область покрытия подобной сети может составлять от единиц метров до
нескольких километров. Идеология сенсорных сетей позволяет повсеместно
избавляться от проводных интерфейсов и связанных с ними расходов (создание
кабель-каналов, декорирование, монтаж проводов, закупка и монтаж
специализированных коммутаторов, маршрутизаторов и т.д.). Например, установка
системы охранно-пожарной сигнализации сводиться к простому расположению
датчиков. А замену элементов питания необходимо проводить даже реже, чем
производить регулярное штатное обслуживание, необходимое по ТУ на систему.
Рисунок 2.4.1. Структура узла сенсорной сети.
1
Стоит отдельно рассмотреть, что же представляет собой отдельный узел подобной
сети. Обобщенная структура типичного датчика изображена на рис. 2.4.1. Как видно
из рисунка, датчик сенсорной сети содержит в своем составе:

Радиомодем, включающий низкомощный приемопередатчик и микроконтроллер
(МК). МК, в свою очередь, имеет в своем составе вычислительное ядро, ОЗУ,
Flash, ПЗУ, EEPROM, АЦП, блок обработки прерываний, определенную
номенклатуру интерфейсов и ряд иных периферийных узлов, в зависимости от
конкретного устройства.

Узел питания. В цепях питания реализована защита от перенапряжения и от
переполюсования клемм. Возможна дополнительная схема для подачи питания
от внешнего источника.

Блок визуализации — для отображения текущего состояния устройства
(опционально).

Блок ввода — для смены режимов работы, перезагрузки и т.д. (опционально).

Интерфейсный блок, содержащий те или иные порты ввода/вывода, например
программирования или подключения внешнего датчика.
К узлам, входящим в состав сенсорных сетей предъявляются достаточно
жесткие и специфичные требования. Прежде всего, это длительное
функционирование от автономного источника питания, широкие сетевые
возможности, включая самоорганизацию, динамическую аутентификацию, гибкие
механизмы маршрутизации и т.п. И при всем этом каждый подобный узел должен
иметь крайне низкую стоимость и обладать минимально возможными размерами. В
настоящий момент ведутся разработки беспроводных датчиков, размер которых не
превышает 1 см3. В отдаленной перспективе речь идет уже об “умной пыли”, то есть
сенсорных сетях, каждый узел которых по своим размерам не превышает 1 мм. В
настоящий момент сенсорные сети становятся реальностью. Уже сейчас существует
2 крупных стандарта реализации этих сетей: ZigBee и Z-Wave. Данные этих
стандартов приведены в табл. 2.4.1.
2
Таблица 2.4.1.
Параметр
Рабочая частота
МГц
Число каналов
Скорость передачи
данных, Кб
Число узлов в сети
Доступ к среде
Топология
Максимальное
число скачков
Количество
производителей
Стоимость, USD
IEEE
802.15.4/ZigBee
860/908/2400
Z-Wave
1/10/16
20/40/250
1
40
До 64К
CSMA-CA
“Звезда”,
“многоячейковая”,
“дерево”
До 32
До 232
Случайный
“Многоячейковая”
Множество.
Основные
Chipcon(TI),
Freescale, Ember,
Atmel, ZMD и т.д.
5–14
Zensys
860/908
До 4
3–6
Как можно увидеть из таблицы, и это подтверждается поддержкой ведущими
производителями микроэлектроники, стандарт IEEE 802.15.4/ZigBee обладает
значительно большей гибкостью. При этом полноценное моночиповое решение
(аналог радиомодема, изображенного на рис. 1) можно приобрести по стоимости от
5 долларов. Стоит, однако, отметить, что не все так гладко. Собственно, стандартом
физического и канального у ровня, отвечающим за само устройство, является только
IEEE 802.15.4. А ZigBee является только программной надстройкой. Причем на ней
стоит остановиться подробнее. Во-первых, единого поставщика стека нет. Стек
разрабатывается параллельно огромным количеством крупных и мелких компаний
по спецификациям альянса. Как следствие — устройства от разных производителей
часто не могут корректно взаимодействовать даже на уровне радиоканала. В
дополнение к этому профили самих устройств пока не проработаны. То есть
купленный у одного производителя управляемый вентиль на батарее не сможет
понять команду от датчика температуры другого производителя. Но на этом
проблемы не заканчиваются. При разработке стандарта отталкивались от позиций
максимальной универсальности, что не замедлило сказаться на протоколе.
Желаемой универсальности он так и не приобрел, зато стал достаточно
ресурсоемким и не очень эффективным с энергетической точки зрения. Например, с
помощью стандарта невозможно реализовать полностью автономные сети.
Необходимо, чтобы координатор и ретрансляторы работали от стационарного
питания. Кроме того, большинство производителей поставляют свой стек в виде
объектных библиотек, то есть без какой либо возможности модификации кода под
3
конкретное приложение. В качестве недостатков можно отметить еще
невозможность перехода сегментов сети по каналам, отсутствие контроля на уровне
приложения за маршрутизацией, непрогнозируемую коллизионную обстановку, и,
немаловажный фактор, потенциальные бреши в безопасности сети (потенциальные
уязвимости в механизмах самовосстановления, широкое распространение стандарта
приведет к обилию средств взлома и т.п.). Стоит также четко представлять, что под
цифрой в 64000 узлов имеется в виду только емкость адресного пространства.
Реально такую сеть получить практически невозможно. Подводя краткое резюме
вышеизложенному, можно сказать, что есть хороший стандарт физического уровня,
широкий выбор элементной базы, но программную часть потребитель вынужден
реализовывать самостоятельно под свои конкретные нужды. Так на настоящий
момент и обстоит ситуация. Но разработка собственного протокола — процесс
дорогостоящий и требующий узкоспециализированных разработчиков высокой
квалификации. Проще отдавать подобные разработки на аутсорсинг. Исходя из этих
соображений, коллективом разработчиков кафедры телекоммуникационных систем
Московского института электронной техники было решено создать программноаппаратный инструментарий, который позволил бы разрабатывать заказные
беспроводные сенсорные сети в приемлемые сроки.
В состав программно-аппаратного инструментария вошли:
Специализированный конфигурируемый стек протоколов,
ориентированный на автономные беспроводные сети с ограниченными
энергетическими ресурсами. В стеке предусмотрены возможности самоорганизации
и самовосстановления сети и обеспечивается многоуровневая настраиваемая
система динамической аутентификации.
Имитатор оконечного устройства сети. Каждый прототип узла сенсорной
сети включает в свой состав низкомощный приемопередатчик, базовый набор
сенсорных элементов, интерфейс обмена информацией с ПК, средства индикации и
имитации событий. Для обмена информацией между элементами системы
используется радиоканал с частотным диапазоном в районе 2,4...2,5 ГГц.
Количество рабочих радиочастотных каналов 16. Максимальная излучаемая
мощность радиопередающих трактов устройств — не более 2 мВт. Рабочая
дальность связи в открытом пространстве — не менее 200 м.
Универсальная система регистрации и систематизации пакетов
обеспечивает отладку специализированных беспроводных сетей передачи данных.
Система включает аппаратную часть, основой которой является широкополосный
приемопередатчик и соответствующее системное программное обеспечение.
Приемник обеспечивает корректный прием данных, пересылаемых прототипами
узлов сенсорной сети. Система непрерывно, за исключением времени, необходимого
для системных процедур, производит и регистрацию эфирной активности в одном
из 16 радиочастотных каналов.
Кроме того, в состав системы входит программное обеспечение для
персонального компьютера. Проект уже нашел поддержку в рамках программы
“У.М.Н.И.К.”, проводимой Фондом содействия развитию малых форм предприятий
в научно-технической сфере. С использованием модулей, входящих в состав
инструментария, произведена разработка полностью автономной беспроводной
4
системы охранно-пожарной сигнализации. В данном стеке протоколов реализованы
механизмы
самоорганизации
и
самовосстановления
сети,
механизмы
автоматической регулировки мощности, динамической аутентификации и
шифрования данных, протоколы временной синхронизации устройств,
маршрутизации, алгоритмы энергосбережения и методы организации доступа к
каналу передачи данных. В отличие от имеющихся на сегодняшний день аналогов,
проработана возможность реализации функций ретрансляторов в рядовых
автономных узлах беспроводной сенсорной сети. Иными словами, система не
требует подвода стационарного питания даже к ретрансляторам, роль которых
может выполнять любой датчик.
Беспроводная сенсорная сеть – это распределённая, самоорганизующаяся сеть
множества сенсоров (узлов сети) и исполнительных устройств, объединенных
между собой посредством радиоканала. Отличительные особенности сенсорных
сетей - это дешевизна узлов сети и способность к самоорганизации
(самовосстановлению) топологии сети.
История практического развития сенсорных сетей началась в 90х годах прошлого
века. В последние годы сенсорные сети нашли широкое применение в различных
отраслях экономики. Они используется для мониторинга внешних параметров
объектов (температура, давление, вибрация и т.д.), контроля доступа, автоматизации
технического обслуживания объектов, контроля экологических параметров
окружающей среды и решения других важных практических задач.
В настоящее время на рынке присутствует несколько стандартов сенсорных сетей и
протоколов функционирования.
Следует отметить, что специализированных
решений, учитывающих особенности телекоммуникационной инфраструктуры, в
настоящее время на рынке нет.
Расчет параметров функционирования сенсорной сети представляет собой сложную
научно-техническую задачу. Для решения такого рода задач требуется построение
имитационной модели сенсорной с заданными характеристиками.
1 РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
ОБЪЕКТОВ ОПЕРАТОРА СВЯЗИ, ДЛЯ КОТОРЫХ ЦЕЛЕСООБРАЗНО
ОСУЩЕСТВЛЯТЬ МОНИТОРИНГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БСС
1.1 Принципы построения беспроводных сенсорных сетей
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) – это распределенная сеть
необслуживаемых миниатюрных электронных устройств (узлов сети), которые
осуществляют сбор данных о параметрах внешней среды и передачу их на базовую
станцию посредством ретрансляции от узла к узлу с помощью беспроводной связи
[1]. Узел сети (рисунок 2.4.2), называемый сенсором, содержит датчик,
воспринимающий
данные
от
внешней
среды
(собственно
сенсор),
микроконтроллер, память, радиопередатчик, автономный источник питания и
5
иногда исполнительные механизмы. Возможна также передача управляющих
воздействий от узлов сети к внешней среде [2].
Рис. 2.4.2. Модель узла сенсорной сети и его аппаратные составляющие.
Следует выделить следующие особенности сенсорных сетей:
- способность к самовосстановлению и самоорганизации,
- способность передавать информацию на значительные расстояния при
малой мощности передатчиков (путем ретрансляции),
- низкая стоимость узлов и их малый размер,
- низкое энергопотребление и возможность электропитания от автономных
источников,
- простота установки, отсутствие необходимости в прокладке кабелей
(благодаря полностью беспроводной технологии и питанию от батарей) [3],
- возможность установки таких сетей на уже существующий и
эксплуатирующийся объект без проведения дополнительных работ,
- низкая стоимость технического обслуживания.
Вышеперечисленные особенности
беспроводных сенсорных сетей
обусловили целесообразность их применения при решении важных задач в
следующих областях:
- мониторинг телекоммуникационной инфраструктуры сетей,
- мониторинг транспортных магистралей (железных дорог, метрополитена и
др.), нефте- и газопроводов, инженерных сетей энерго- и теплоснабжения,
- контроль и анализ транспортных грузопотоков,
- экологический, биологический и медицинский мониторинг,
- автоматизация систем жизнеобеспечения и системах класса “Умный дом”
(рисунок 2.4.3),
- выявление и предупреждение чрезвычайных ситуаций (мониторинг
сейсмической активности и вулканической деятельности, анализ атмосферы и
прогноз погоды для своевременного предупреждения о наступлении стихийных
бедствий),
- и другие.
6
Рис. 2.4.3. Мониторинг и управление БСС с помощью планшетного ПК [4].
По размерам физической зоны размещения беспроводные сенсорные сети
(БСС) относятся к классу беспроводных персональных вычислительных сетей
(WPAN). В настоящее время при построении БСС чаще всего применяется стандарт
IEEE 802.15.4. Также для построения БСС применяются и другие стандарты
(например, IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4a), а также проприетарные решения
различных производителей.
В стандарте IEEE 802.15.4 выделяется два вида узлов БСС: 1. устройства с
ограниченными функциями RFD (reduced-function device), осуществляющие сбор
информации в некоторой окрестности точки своего размещения; 2.
полнофункциональные устройства FFD (full-function device), выполняющие как
ретрансляцию пакетов, так и сбор информации [5]. Стандарт IEEE 802.15.4 является
базовой основой для более высокоуровневых протоколов (ZigBee, 6loWPAN,
DigiMesh, WirelessHART и др) и позволяет строить с помощью программных
надстроек на сетевом уровне и выше следующие топологии: точка-точка, звезда,
кластерное дерево и ячеистая (mesh) сеть [6].
На функциональном уровне выделяются следующие виды узлов БСС: (1)
функциональные узлы (Ф-узлы), осуществляющие сбор информации или
управление объектом в некоторой окрестности точки размещения данного узла; (2)
транзитные узлы (Т-узлы), выполняющие управление маршрутизацией и передачу с
помощью ретрансляции собранной Ф-узлами информации в центры сбора
информации (ЦСИ) для ее дальнейшего использования; (3) центры сбора
7
информации, осуществляющие управление БСС и обработку собранных БСС
данных. В общем случае БСС может иметь несколько ЦСИ, и информация,
поступившая в каждый из них, доступна для использования одним или несколькими
пользователями для принятия решений и выполнения определенных действий.
Будем считать, что эта информация используется некоторым обобщенным
«конечным пользователем» или базовой станцией (БС) всей сенсорной сети.
Некоторые ЦСИ могут отправлять собираемую информацию в сеть Интернет [7].
Считаем, что координаты размещения Ф-узлов и ЦСИ известны.
Сенсорная сеть может быть организована как совокупность подсетей или
кластеров (рисунок 2.4.4), связанных ЦСИ, выполняющих роль шлюзов
взаимодействия «сенсорная сеть — корпоративная сеть». Шлюзы представляют
собой более сложные программно-аппаратные устройства, чем сенсоры, обладают
значительными вычислительными возможностями и поддерживают стандартные
интерфейсы (такие как Ethernet, GPRS, IEEE 802.11, USB, и др.), а также обладают
более мощным радиопередатчиком и менее зависимы от ограничений в
энергопотреблении [8].
Рисунок 2.4.4. Структура сенсорной сети, основанная на кластерах.
Беспроводная сенсорная сеть размещается на некотором объекте, распределенном в
разнородном
пространстве.
Разнородное
пространство
определяет
пространственные ограничения по размещению узлов БСС и функцию затухания
электромагнитного сигнала в этом пространстве. На качество и дальность связи
влияет множество физических факторов: радиочастотный шум, число стен,
перекрытий и других объектов, через которые должен пройти сигнал.
8
1.2 Классификация телекоммуникационных объектов
Телекоммуникационный объект – это объект недвижимости, который используются
для сотрудников оператора связи или расположения телекоммуникационной
инфраструктуры (телекоммуникационное оборудование, кабели, системы питания и
охлаждения и т.д.).
Беспроводные сенсорные сети могут использоваться как основные или
дополнительные системы мониторинга состояния объекта или окружающей среды.
По постоянному наличию обслуживаемого персонала телекоммуникационные
объекты можно разделить на две группы:
1) Офисные помещения – объекты недвижимости, в которых находятся постоянные
рабочие места сотрудников.
2) Технологические помещения – объекты недвижимости, которые используются
для расположения телекоммуникационного и технологического оборудования
оператора связи.
3) Линейно-кабельные сооружения, в том числе магистральные линии связи.
Согласно [56] к линейно-кабельным сооружениям связи, являющимся объектами
недвижимости, относятся прочно связанные с землей сооружения связи,
перемещение которых без несоразмерного ущерба их назначению невозможно.
Для технологических помещений, в отличие от офисных помещений, особую
актуальность имеют датчики несанкционированного проникновения, температуры и
влажности (чтобы избежать перегрева или затопления оборудования).
Узлы сенсорной сети для мониторинга состояния внутри офисных помещений
аналогичны по функционалу системам «умный дом» и могут включать в себя
датчики проникновения, управления системами освещения и т.д..
Технологические помещения в зависимости от уровня инженерной оснащенности
можно разделить на группы:
a) Обособленные объекты (необслуживаемые пункты, антенные мачты,
технологические вышки, базовые или радиорелейные станции).
b) Серверные комнаты, автозалы и т.д.
c) Центры обработки данных.
Как правило, чем выше уровень инженерной оснащенности объекта, тем более
функциональная система мониторинга там используется. Соответственно, чем выше
уровень инженерной оснащенности, тем меньшая потребность в использовании
сенсорных сетей в качестве основной системы мониторинга.
Особенность линий связи, как телекоммуникационного объекта состоит в том, что
мониторить внешнее состояние самого кабеля достаточно затруднительно, так как
он, как правило, находится под землей. Но особую актуальность приобретает задача
мониторить состояние окружающей среды линий связи.
По типу исполнения узлов сенсорной сети телекоммуникационные объекты
целесообразно разделять на группы:
I. Закрытые помещения: узлы сенсорной сети работают внутри здания и не
испытывают агрессивного внешнего атмосферного воздействия.
9
II. Открытые объекты: узлы сенсорной сети должны выдерживать воздействие
атмосферных осадков и уличные температуры. К открытым объектам относятся
также крыши зданий, антенные поля и т.д.
Как уже было сказано в Главе 1, основными преимуществами сенсорных сетей
являются следующие факторы:
- отказоустойчивость (способность к самовосстановлению);
- возможность передавать информацию на значительные расстояния при
малой мощности передатчиков путем ретрансляции;
- низкая стоимость узлов и их малый размер;
- низкое энергопотребление и возможность электропитания от автономных
источников;
- простота установки, отсутствие необходимости в прокладке кабелей,
- возможность установки таких сетей на уже существующий и
эксплуатирующийся объект без проведения дополнительных работ,
- низкая стоимость технического обслуживания.
С точки зрения использования сенсорных сетей для мониторинга
телекоммуникационных объектов необходимо учитывать следующие факторы:
- возможность быстро развернуть сеть мониторинга на большой территории;
- простота установки и возможность развернуть сеть мониторинга без монтажных
работ.
Для внутренних объектов с уже имеющимися системами мониторинга можно
использовать БСС как резервную или дополнительную систему мониторинга. С
учетом дешевизны узлов БСС, быстрой ее разворачивания и возможностью
устанавливать узлы БСС в произвольных местах без монтажных работ
целесообразно использовать для автозалов, серверных комнат и технологических
помещений.
Для
большинства
обособленных
телекоммуникационных
объектов
(необслуживаемые пункты, антенные мачты, технологические вышки, базовые или
радиорелейные станции) особую актуальность имеет мониторинг окружающей
среды. Это позволит заблаговременно узнавать о возможных негативных
воздействиях (например, пожары).
10
2 Разработка рекомендаций и сценариев использования БСС для мониторинга
помещений клиентов оператора связи, центров обработки данных и
магистральных линий связи
2.1 Сценарии использования беспроводных сенсорных сетей
Рассмотрим пример аппаратной реализации узла беспроводной сенсорной сети на
базе приемопередатчика XBee. Программно-аппаратная реализация каждого узла
БСС напрямую влияет на энергопотребление. В зависимости от функционала,
который реализует оконечный узел, можно выделить следующие типы оконечных
узлов, построенных на модулях XBee [68]:
1.
Оконечный узел без дополнительного микроконтроллера. В этом случае
обработку информации и управление оконечным узлом осуществляет базовая
станция через удаленный API интерфейс взаимодействия с модулем XBee (рисунок
4). В качестве примера удаленных команд можно привести: чтение/запись данных в
цифровые или аналоговые порты, запрос соседних узлов для задачи
позиционирования, запрос напряжения источника питания узла и т.д.
Датчик,
актуатор
Оконечный
узел
Базовая
станция
Транзитный
узел
Транзитный
узел
Рисунок 2.4.5. Беспроводная сенсорная сеть, построенная на модулях XBee без
дополнительных микроконтроллеров [12].
2.
Оконечный узел использует дополнительный микроконтроллер, расширенный
функционал модуля, но обработка информации и управление оконечным узлом
осуществляет базовая станция (рисунок 2.4.6). В качестве примера расширения
функционала оконечного узла можно привести использование однопроводного
интерфейса 1-wire [69], обеспечивающего подключение сотней датчиков по одному
сигнальному проводу.
МК
Оконечный
узел
Датчики, актуаторы
Базовая
станция
Транзитный
узел
Транзитный
узел
Рисунок 2.4.6. Оконечные узлы БСС содержат дополнительный микроконтроллер
[68].
3.
Оконечный узел использует дополнительный микроконтроллер и выполняет
обработку информации, агрегацию данных от других узлов сети и управление
другими узлами БСС с помощью API интерфейса (рисунок 2.4.6). Базовая станция в
этом случае выполняет только поддерживающие, сервисные функции: мониторинг,
конфигурирование, настройку и т.д.
11
МК
Оконечный
узел
Датчики, актуаторы
Базовая
станция
Транзитный
узел
Транзитный
узел
МК
Оконечный
узел
Рисунок 2.4.7. Оконечные узлы взаимодействуют друг с другом [68].
В качестве аппаратной платформы для создания полнофункциональной БСС удобно
использовать платформу Arduino и интеграционную плату Arduino-XBee (рисунок
7). Плата Arduino-XBee осуществляет согласование между Arduino и XBee по
информационным уровням и параметрам питания.
Рисунок 2.4.8. Блок-схема аппаратной платформы [68].
2.2 Сценарии совместной работы микроконтроллера и модуля XBee
Рассмотрим следующие сценарии совместной работы микроконтроллера (МК) и
модуля XBee с точки зрения энергопотребления [68]:
1. Периодический сбор информации модулем XBee (рисунок 2.4.9). Для снижения
энергопотребления МК должен переходить в состояние с низким
энергопотреблением, периодически просыпаться и собирать информацию с
датчиков. Для пробуждения микроконтроллера можно использовать как таймеры,
так и прерывания от модуля XBee.
Рисунок 2.4.9. Диаграмма UML последовательности. Модуль XBee запрашивает
информацию от микроконтроллера [68].
12
2. Микроконтроллер работает, как и в первом сценарии, являясь при этом
инициатором передачи (рисунок 2.4.10). В этом случае за всю модель
энергопотребления отвечает МК.
Рисунок 2.4.10. Диаграмма UML последовательности. Микроконтроллер является
инициатором передачи [68].
Платформа Arduino поддерживает пять режимов низкого энергопотребления
или сна (SLEEP_MODE_IDLE, SLEEP_MODE_ADC, SLEEP_MODE_PWR_SAVE,
SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Для перевода Arduino в
режим сна и настройки пробуждения по прерыванию от модуля XBee можно
использовать следующие функции, написанные на языке Processing [68]:
void wakeUpNow() // функция-обработчик прерывания, вызываемая после
пробуждения Arduino
{
}
void sleepNow() // функция переводит Arduino в режим сна
{
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_ADC);
sleep_enable();
attachInterrupt(0, wakeUpNow, LOW);
sleep_mode();
sleep_disable();
detachInterrupt(0);
}
Таблица 2.4.2. Используемые компоненты МК ATmega168 платформы Arduino в
различных режимах сна [14].
13
2.3 Сценарий позиционирования, управления и мониторинга беспроводной
сенсорной сетью с помощью мобильного устройства
Популярность гео-навигационных приложений в последние 2-3 года породила
новую задачу обеспечения возможности навигации не только на открытом
пространстве, но и внутри помещений [71,72]. Для конечного потребителя это
означает возможность быстро найти своё место на футбольном стадионе, машину на
многоярусной парковке, магазин в торговом центре или же нужную стойку
регистрации в аэропорту. Традиционные средства ГЛОНАСС, GPS и GALILEO,
отлично зарекомендовавшие себя в наружной гео-навигации, не позволяют
устройствам, находящимся за несколькими слоями железобетонных перекрытий,
улавливать сигнал со спутника. Данная проблема может быть решена с помощью
размещения на определенной территории функционирующей сенсорной сети [74].
Один из вариантов построения системы навигации и мониторинга
представлен на рисунке 2.4.11. Система состоит из трех функциональных блоков:
сенсорная сеть, управляющий сервер, мобильное приложение, работающее на
планшетном ПК.
Управляющий сервер выполняет программу, которая взаимодействует с шлюзом
БСС и осуществляет мониторинг и управление работой сенсорной сети.
На планшетном ПК мобильного пользователя установлено приложение, которое
может безопасно подключаться к управляющему серверу как через встроенные в
планшетный ПК технологии передачи данных (Wi-Fi, 3G, Bluetooth) так и через
сенсорную сеть с помощью трансивера, работающего по тому же протоколу, что и
сенсорная сеть.
При подтверждении прогнозов распространения сенсорных сетей и планшетных ПК
можно ожидать появления планшетных ПК со встроенными трансиверами.
Внешний трансивер уже сейчас может быть подключен к планшетному ПК либо с
помощью кабеля, либо по стандарту беспроводной связи, такому как Bluetooth. В
этом случае, перемещаясь по территории, на которой развернута сенсорная сеть,
планшетный ПК пользователя может устанавливать до 2 сетевых подключений [73]:
 между планшетным ПК и управляющим сервером;
 между трансивером, подключенным к планшетному ПК, и сенсорной
сетью.
Первое подключение может использоваться, например, для загрузки плана
территории, на которой развернута БСС, получения информации о координатах всех
узлов и передачи пользователем управляющих запросов к серверу и отдельным
узлам БСС.
По второму подключению трансивер осуществляет взаимодействие с сенсорной
сетью и передает как мобильному приложению, так и управляющему серверу
данные об узлах СС в пределе собственной радиовидимости. Подобный механизм
обратной связи при необходимости позволит информировать мобильных
пользователей о местоположении друг друга и осуществлять обмен информацией
между ними.
14
Рис. 2.4.11. Вариант построения системы навигации и мониторинга [73].
Для повышения точности позиционирования мобильного пользователя мощность
передатчиков на узлах БСС может быть понижена, а плотность размещения узлов
увеличена. Таким образом, дальность уверенной передачи радиосигнала узла
уменьшается, вследствие чего снижаются его энергозатраты. Возможно также
использование различных методов позиционирования узлов в сенсорной сети [64].
2.4 Рекомендации по использованию БСС для мониторинга объектов
Для мониторинга помещений клиентов оператора связи, офисных помещений
оператора рекомендуется использовать следующие типы датчиков:
 датчик движения,
 датчик проникновения (открытия/закрытия дверей и окон, реализованный
на базе геркона и магнита),
 датчик разбития стекла,
 датчик влажности,
 датчик освещения,
 система климат-контроля,
 датчик контроля протечки воды,
 измеритель электричества,
 датчик температуры внутри помещения,
 датчик температуры наружного воздуха,
 датчик дыма,
15




















датчик газа,
датчик качества воздуха,
датчик качества воды,
настенные выключатели и регуляторы яркости (диммеры),
дверные замки,
сирены,
системы видеонаблюдения,
система теплый пол,
беспроводной звонок,
управление медиа техникой,
управление бытовой техникой,
управление системой кондиционирования,
тревожная кнопка,
управление ИБП,
розеточные модули (коммутаторы и регуляторы мощности),
устройства управления электромеханическими нагрузками (приводы
экранов, жалюзи, шторы, гаражные ворота и т.д.),
термостаты,
вставляемый в розетку выключатель со счетчиком электроэнергии,
система автоматической вентиляции и дезинфекции ванной комнаты с
применением датчика движения,
реле для котла.
Часть таких датчиков и инфраструктура для их размещения реализована в
системах класса “Умный дом”. Но такие системы не обладают размером и
масштабируемостью для больших помещений, у них нет механизмов
самоорганизации и отказоустойчивости. Использование беспроводных
сенсорных сетей в качестве операторского решения более предпочтительно.
Для мониторинга магистральных линий связи с помощью беспроводной сенсорной
сети целесообразно использовать датчики для мониторинга близлежащего
окружающего пространства, такие как:
 датчик дыма,
 датчик температуры,
 датчик влажности.
16
3. Разработка рекомендаций по размещению узлов БСС и выбору
используемых датчиков для мониторинга жилых помещений абонентов
оператора связи и магистральных линий связи
3.1 Рекомендации по размещению датчиков узлов БСС
Ввиду того, что при построении БСС чаще всего используется тот же
частотный диапазон (2,4 ГГц), что и в беспроводных локальных сетях Wi-Fi, то
некоторые рекомендации по размещению точек доступа Wi-Fi справедливы к
применению в БСС [9]:
1. располагать узлы БСС так, чтобы количество преград между смежными
узлами
было
минимальным
(особенно
металлических
или
железобетонных),
2. при отсутствии возможности осуществить обход препятствий желательно
располагать смежные узлы БСС так, чтобы сигнал проходил под углом в
90 градусов к перекрытиям или стенам (стена толщиной 0,5м при угле в 30
градусов для радиоволны становится стеной толщиной 1м при угле 90
градусов, а при угле в 2 градуса стена становится преградой толщиной в
12м при угле 90 градусов),
3. позиционировать узлы БСС на лучший прием друг относительно друга с
помощью специального программного обеспечения,
4. учитывать при построении БСС влияние электромагнитных помех,
создаваемых,
например,
беспроводными
локальными
сетями,
беспроводными телефоны стандарта 2,4 ГГц и т.д.
5. удалить от узлов БСС, по крайней мере, на 1-2 метра электроприборы,
генерирующие
радиопомехи,
микроволновые
печи,
мониторы,
электромоторы, ИБП. Для уменьшения помех эти приборы должны быть
надежно заземлены,
Важнейшее требование к работе БСС – доставка пользователям необходимой
информации с определенной степенью надежности в условиях, когда возможны
отказы компонентов БСС. В процессе работы БСС возможны отказы как узлов, так и
каналов связи. Под отказом узла понимается событие, состоящее в том, что узел не
выполняет свои функции либо вследствие отказов его компонентов, либо вследствие
разрядки батареи. Под отказом канала понимается событие, следствием которого
является невозможность его использования для передачи какой-либо информации. В
качестве показателя надежности узла принята вероятность безотказной работы в
течение интервала времени Т (заданной наработки) при условии, что узлы являются
невосстанавливаемыми, а их отказы независимы [10]. Под отказом БСС понимаем
событие, приводящее БСС в состояние, при котором достоверная информация с
определенного количества точек размещения Ф-узлов не может быть доставлена на
базовую станцию. Отказ БСС может быть следствием отказов как Ф-узлов, так и Тузлов, так и ЦСИ, а так же связывающих узлы беспроводных каналов связи.
Надежность структуры БСС при заданном множестве ее Ф-узлов {Df},
f = 1,…, k, определяется набором значений вероятностей связности Pfs каждого из
узлов заданного множества {Df} с ЦСИ. В качестве показателя надежности
17
структуры БСС может быть взято минимальное из этих значений PFS = min {Pfs}, f =
1,…, k, где Pfs вычисляется для заданной наработки Т, т.е. Pfs = Pfs(Т).
Задача синтеза отказоустойчивой (ОУ) структуры БСС (в соответствии с
функциональной схемой процесса проектирования ОУ БСС [11]) является частью
общей задачи проектирования ОУ БСС. В задаче синтеза отказоустойчивой
структуры БСС в разнородном пространстве требуется разместить Т-узлы таким
образом, чтобы PFS  Pmin при минимизации стоимости, где Pmin – это требуемая
вероятность связности каждого из Ф-узлов множества {Df}, f = 1,…, k с ЦСИ [12].
Для решения этой задачи рекомендуем применить алгоритм ОУ-4 синтеза
отказоустойчивой (ОУ) структуры БСС при наличии ограничений по размещению
узлов в разнородном пространстве, предложенные в [12, 13]. В этом алгоритме
область проектирования на первом этапе избыточно покрывается транзитными
узлами. После этого с помощью итерационного алгоритма оптимизации
осуществляется удаление избыточных транзитных узлов с целью получения
желаемой отказоустойчивой структуры БСС. Алгоритм удаления избыточных
транзитных узлов основан на применении генетического алгоритма, функция
приспособленности которого осуществляет многокритериальную нечеткую
экспертную оценку различных параметров БСС, таких как структурная надежность
и стоимость.
В работе [7] рассматривается применение метода [12] и алгоритм ОУ-5 для
синтеза ОУ структуры БСС при отказах ЦСИ. Очевидно, что если возможны отказы
центров сбора информации, то необходимо предусмотреть возможность получения
конечным пользователем достаточной для него информации при отказах любого
числа ЦСИ, не превышающего определенного максимального (задаваемого при
проектировании
БСС).
Это
число
определяет
требуемую
степень
отказоустойчивости БСС по отношению к отказам ЦСИ.
В работе [7] рассматривается модель, в которой доставка информации от
ЦСИ конечному пользователю осуществляется без потерь и искажений, и что
информация, получаемая от любого Ф-узла конечным пользователем, достаточна
для него, если она поступает хотя бы от одного из K ЦСИ, с которыми связан Фузел.
Пусть q = q (T) - известная вероятность отказа одного ЦСИ за время T. Тогда
вероятность работоспособности хотя бы одного из K ЦСИ вычисляется следующим
образом:
P(Q) = 1-qK
(2.4.1)
Если задано требование P(Q)>= P*, где P* - заданная величина, то решая
неравенство 1-qK >= P*
(2.4.2)
относительно K, можно определить необходимое число K ЦСИ.
Если полученное из неравенства (2.4.2) значение K <= N, то для того, чтобы
обеспечить возможность поступления информации от всех Ф-узлов сети к
конечному пользователю при отказах любых (K-1) ЦСИ необходимо построить
такую структуру БСС (с помощью надлежащего размещения Т-узлов), в которой
обеспечивается заданная минимальная вероятность связности каждого Ф-узла с
18
какими-либо К ЦСИ из общего числа N. Для выполнения этой процедуры в работе
[7] адаптируется к использованию итерационный алгоритм ОУ-4 [12].
Для оценки вероятности связности Ф-узла с БС можно использовать
алгоритм, основанный на выделении независимых путей (НП) от Ф-узла к БС и
применении в дальнейшем нижней граничной оценки Литвака-Ушакова [14].
Нижняя оценка вероятности связности некоторого Ф-узла Fc с ЦСИ
вычисляется как:
Pfs =(1-Qfs),
где Qfs – вероятность того, что все НП от данного Ф-узла Fc к ЦСИ не
работоспособны:
k
Q fs   q fs ,
k
 fsM fs
где qkfs – вероятность того, что данный НП µkfs между Ф-узлом Fc и БС
неработоспособен, qkfs = 1 – pkfs, где pkfs, – вероятность того, что k-й независимы путь
µkfs между Ф-узлом Fc и БС работоспособен, определяемая как вероятность
работоспособного состояния всех каналов и всех
узлов, образующих этот путь,
т.е.
p fs 
k


ij
k
pij
c C fs
p

m
k
m,
b B fs
где pm и pij – вероятности работоспособного состояния (т.е. отсутствия отказа),
соответственно, узла bm и канала cij (между некоторыми узлами bi и bj); Ckfs –
множество всех каналов, входящих в путь µkfs;
Brfs – множество всех узлов,
входящих в путь µkfs. Вероятность работоспособного состояния узла bm определяется
как pm  p A  pE , где pA – вероятность отсутствия аппаратного отказа компонентов
узла за время T, а pE – вероятность того, что батарея не разрядится за время T [12].
Примем, что для аппаратного отказа узла БСС справедлив экспоненциальный закон
надежности (интенсивность аппаратных отказов компонентов λO=const), т.е.
pA  e T .
O
3.2 Выбор датчиков для построения БСС. Анализ аппаратных решений
3.2.1 Приемопередатчики для построения беспроводных сенсорных сетей
стандарта IEEE 802.15.4
В настоящее время на рынке представлено большое количество готовых к
применению приемопередатчиков и интегрированных систем на кристалле
(микроконтроллер вместе с приемопередатчиком), которые могут быть применены
для построения беспроводных сенсорных сетей (БСС) стандарта IEEE 802.15.4.
Стандарт IEEE 802.15.4 является базовой основой для более высокоуровневых
протоколов (ZigBee, 6loWPAN, DigiMesh, WirelessHART и др). Основными
производителями приемопередатчиков стандарта IEEE 802.15.4 являются
следующие компании: Texas Instruments, Digi International Inc, Microchip, Atmel, ST
19
Microelectronics, Freescale, Jennic, Analog Devices, Radiocrafts, Ember и др. Далее
приводится краткий обзор наиболее популярных приемопередатчиков.
3.2.2 Приемопередатчики компании Texas Instruments
Американская компания Texas Instruments предлагает большое количество как
стандартизированных, так и проприетарных программно-аппаратных решений для
построения беспроводных сенсорных сетей. Для помощи в выборе требуемого
приемопередатчика компания Texas Instruments предоставляет сводную обзорную
документацию [57, 58] по своей беспроводной линейке низкоскоростных
приемопередатчиков. Примером пространства выбора аппаратной платформы Texas
Instruments для построения БСС может служить рисунок 2.4.12 [58, 59]. В
настоящий момент компания Texas Instruments предлагает для своих модулей
несколько вариантов сетевых протоколов – 802.15.4 TIMAC, SimpliciTI, RF4CE,
ZigBee [58].
Рис. 2.4.12. Пространство выбора аппаратной платформы Texas Instruments для
построения БСС [58, 59].
3.2.3 Приемопередатчики компании Digi International Inc
Конструктивно приемопередатчик XBee выполнен в виде печатной платы 24x27 мм
с 20 выводами, расположенными по краям платы. Модуль XBee подключается к
микроконтроллеру c помощью асинхронного последовательного порта UART и
управляется CMOS логическими уровнями 2,8...3,4 В [60]. В зависимости от типа
модуля XBee и мощности радиосигнала ток потребления в режиме передачи
варьируется в диапазоне от 28 мА до 220 мА. В режиме сна модуль XBee
потребляет 1-5 мкА. Схематично внутренняя структура модуля XBee показана на
20
рисунке 2.4.13. Как видно из рисунка модуль XBee содержит встроенный
микроконтроллер, управляющий сетевым стеком.
Рис. 2.4.13. Внутренняя структура модуля XBee [4].
В настоящий момент компания Digi предлагает для модулей XBee (рисунки 13, 14)
несколько вариантов сетевых протоколов – это IEEE 802.15.4, ZigBee-2006, ZigBee
Pro и фирменный протокол DigiMesh. Основной режим работы модулей XBee – это
работа под управлением внешнего микроконтроллера, управляющего модулем с
помощью простых AT-команд или упорядоченных структур данных (режим API)
[61].
Рис. 2.4.14. Внешний вид модулей XBee с различными антеннами.
Таблица 2.4.3. Сводная таблица различных модулей XBee [6].
21
3.2.4 Приемопередатчики компании Atmel
Американская компания Atmel выпускает для сетей стандарта IEEE 802.15.4
приемопередатчики AT86RF212, AT86RF230, AT86RF231, AT86RF232 и
AT86RF233. На базе вышеперечисленных приемопередатчиков и собственных
микроконтроллеров компания Atmel выпускает модуль на кристалле
ATmega128RFA1, ZigBit модули (ATZB-24-B0, ATZB-24-A2, ATZB-900-B0, ATZBA24-UFL и ATZB-A24-U0) и другие сборки [63]. В таблице 4 показано сравнение
некоторых
приемопередатчиков
Atmel
с
приемопередатчиками
других
производителей [66, 67].
Таблица 2.4.4. Сравнение приемопередатчиков Atmel с приемопередатчиками
CC2520 и MC13202 [8, 9].
Производитель
Atmel
Atmel
Atmel
Atmel
TI
Freescale
Устройство
AT86RF230 AT86RF231 AT86RF232 AT86RF212 CC2520 MC13202
Диапазон
1.8 В - 3.6 1.8 В - 3.6 1.8 В - 3.6 1.8 В - 3.8 1.8 В - 2.0 В напряжения
В
В
В
В
3.8 В 3.4 В
Рабочая частота 2.4 ГГц
2.4 ГГц
2.4 ГГц
868 МГц 2.4 ГГц 2.4 ГГц
Чувствительность -101dBm -101dBm -100dBm -110dBm -98dBm -92dBm
Выходная
3dBm
3dBm
3dBm
10dBm
5dBm 4dBm
мощность
Ток в дежурном
0.02 мкA 0.02 мкA 0.4 мкA
0.2 мкA
< 1 мкA 0.2 мкA
режиме
Ток потребления
15.5 мA
12.3 мA
11.8 мA
9.2 мA
22.3 мA 37 мA
при приеме RX
Ток потребления
17
мA
16.5 мA
14.0 мA
13.8 мA
33.6 мA 30 мA
при передаче TX
@5dBm
Разнесенный
Нет
Нет
Да
Нет
Нет
Нет
прием
Шифратор AES
Нет
Нет
Да
Да
Да
Нет
3.2.5 Приемопередатчики компании ST Microelectronics
Европейская компания ST Microelectronics выпускает для сетей стандарта IEEE
802.15.4 системы-на-кристалле (SoC) семейства STM32W. Отличительной
особенностью этого семейства является использование быстродействующего
процессора ARM Cortex-M3 . Модули STM32W позволяет использовать стеки
сетевых протоколов, такие, как, RF4CE, ZigBee-PRO и 6LoWPAN .
Основные характеристики семейства модулей STM32W [66, 67]:
 Архитектура ядра ARM® Cortex™-M3 со встроенной памятью (Flash
128KB, SRAM 4KB),
22
 Поддержка стандарта IEEE 802.15.4 – 2.4ГГц (ZigBee™, ZigBee RF4CE,
6LoWPAN),
 Напряжение питания – от 2,1 В до 3,6 В,
 Мощность передатчика до +7дБ,
 Чувствительность приемника до -100дБм,
 JTAG для отладки, 24GPIOs, АЦП, ЦАП, интерфейсы USART, SPI, I2C,
 AES-128 аппаратное шифрование,
 Энергопотребление (спящий режим <1мкА, режим приема 27мА, режим
передачи 31мА).
3.3 Анализ коробочных решений для построения беспроводных сенсорных
сетей
Протоколы ZigBee и Z-Wave являются конкурентами для применения в системах
автоматизаций зданий. По своим сетевым возможностям протокол
Z-Wave
является более простым по сравнению с ZigBee. К преимуществам ZigBee следует
отнести:
 протокол ZigBee базируется на стандарте IEEE 802.15.4, что дает
преимущество в условиях «зашумленной» среды,
 большие скорости передачи данных (250 Кбит/c против 40 Кбит/c),
 большее количество узлов сети (64000 против 232),
 маршрутизация ZigBee позволяет быстрее адаптироваться к изменениям
топологии сети и поддерживает большее число ретрансляций при доставке
пакета от источника до получателя (32 против 4),
 размер полезных передаваемых данных в одном пакете почти в два раза
больше чем у Z-Wave,
 модули ZigBee производят десятки различных компаний (модули Z-Wave
производит только компания Sigma Designs).
К недостаткам ZigBee по сравнению с Z-Wave следует отнести:
 на текущий момент на рынке представлено намного больше совместимых друг
с другом Z-Wave датчиков и устройств готовых к использованию,
 плохая совместимость модулей и устройств ZigBee различных
производителей,
 на текущий момент модули и устройства ZigBee в России в основной своей
массе продаются для работы на частотах 2,4 ГГц, что при той же излучаемой
мощности дает меньшую дальность уверенной связи по сравнению с 868 МГц
модулями Z-Wave. Электромагнитные помехи, создаваемые повсеместно
используемыми беспроводными локальными сетями и другим оборудованием,
работающем на частоте 2,4 ГГц снижают качество связи ZigBee сети.
Электромагнитные волны на частотах 2,4 ГГц сильнее затухают в помещениях
при преодолении преград (особенно металлических или железобетонных) по
сравнению с 868 МГц.
23
Решения для построения Z-Wave сетей.
В этом разделе представлены категории, производители и наименования доступных
к использованию датчиков и Z-Wave устройств.
Z-Wave устройства для управления светом.
К производителям этой группы следует отнести:
А) Schneider Electric:
- Центральная радионакладка Connect для механизма светорегулятора (MTN504619,
MTN504644, MTN503444, MTN502660, MTN502614, MTN504446, MTN503625,
MTN502460, MTN504646, MTN503419, MTN502414),
- Радиовыключатель (приемник) 2-х канальный MTN507502,
- Радиопередатчик Connect 4-х канальный MTN506004,
- Радиоприемник Connect одноканальный MTN507501,
- Встраиваемый диммер Connect MTN507900,
- Радиоприемник Connect одноканальный двухполюсный MTN507601.
Б) Wintop:
- Cенсорный диммер iTabletDim (черный) 11222R-11-S0084-P0,
- Сенсорный двухканальный выключатель iTabletSwitchDouble 1373R-11-S718-PO,
1373R-12-S718-PO,
- Сенсорный одноканальный выключатель iTabletSwitch 1373R-S718-PO,
- Микромодуль диммера iModuleDim 13732R-S100-P0,
- Микромодуль одноканального выключателя iModuleSingle 11222R-12-S0084-P0.
В) Duewi:
- Выключатель сети Z-Wave для скрытой проводки Duewi 054313,
- Настенный радиопередатчик Duewi 054436,
- Встраиваемый диммер, 300 Вт Duewi 054337.
Г) TKB Home:
- Одноклавишный выключатель (TKB_TZ65S, TKB_TZ66SG),
- Двухклавишный выключатель (TKB_TZ66D, TKB_TZ66DG),
- Одноклавишный диммер 300 Вт TKB_TZ65S.
Д) ACT:
- Диммер однокнопочный 3-х проводный ZDW230,
- Настенный диммер 2-х проводный 500 Вт ZDW232.
Е) и др.
Z-Wave устройства для управления жалюзи.
А) Aeon Labs:
- Micro Motor Controller (AEO_MMC).
Б) Wintop:
- Сенсорный выключатель для жалюзи iTabletShutter 1373R-94S718-P0,
- Микромодуль выключателя для жалюзи iModuleShutter 11222R-94-S0084-P0.
В) FIBARO:
- Микромодуль управления жалюзи/рольставнями FIB_FGR221,
Г) Schneider Electric:
- Механизм управления жалюзи (MTN580698),
- Радиоприемник Connect для рольставней, 1-канальны MTN507801,
24
- Центральная радионакладка для механизма управления жалюзи (MTN503544,
MTN503519, MTN504544, MTN502560, MTN503525, MTN504546, MTN504519,
MTN502514),
- Радиоприемник Connect одноканальный двухполюсный (MTN507601),
- Механизм управления жалюзи с дополнительным входом (MTN580699).
Д) Hunter Douglas:
- Устройство управления жалюзи 230V AC HUN_ABMHZ,
- Устройство управления жалюзи 24V DC HUN_DBMZ.
Е) Duewi:
- Выключатель жалюзи Z-Wave для скрытой проводки 054368.
Z-Wave устройства для управления розетками.
А) Duewi:
- Розеточный выключатель сети Z-Wave, 3500 Вт (054375),
- Розеточный выключатель сети Z-Wave IP44, 3500 Вт (054382),
- Регулятор яркости для розетки Z-Wave (054399).
Б) ACT:
- Регулятор яркости Z-Wave для розетки (300 Вт) ACT_ZDP200.
В) Everspring:
- Розеточный выключатель EVER_AN157-2,
- Розеточный выключатель с измерителем мощности EVER_AN158-2.
Г) Schneider Electric:
- Штепсельная розетка с радиоприемником Connect (выключатель) MTN508519,
- Штепсельная розетка с радиоприемником Connect (светорегулятор) MTN508619.
Д) TKB Home:
- Регулятор яркости Z-Wave для розетки TKB_TZ67G,
- Розеточный выключатель TKB_TZ68G.
Z-Wave датчики
А) Wintop:
- Датчик движения, освещенности, температуры iSensor 1180R-S100-P067,
- Датчик открытия двери/окна iDoorSensor (белый) 1182R-S100-P0,
- Датчик дыма iSmokeSensor 1183RS100-P0,
- Датчик температуры iTempSensor 1188R-S100-P447.
Б) Aeon Labs:
- Датчик открытия двери/окна AEO_HEM3.
В) Everspring:
- Z-Wave сирена SE812 EVR_SE812,
- Детектор дыма EVR_SF812,
- Датчик открытия двери/окна Z-Wave EVR_SP103,
- Датчик присутствия SP814 EVR_SP814,
- Датчик протечки воды EVR_ST812,
- Датчик влажности/температуры EVR_ST814.
Г) Express Controls:
- Тройной датчик EZMotion EXP_EZmotion100.
25
Д) FIBARO:
- Универсальный сенсор Z-Wave FIB_FGBS-001.
Е) FortrezZ:
- Звуковая сирена со стробоскопом FOR_SSA2,
- Датчик протечки & замораживания For_WWA02.
Ж) NorthQ:
- Считыватель показаний счетчика электроэнергии NOQ_NQ-90021.
З) Siegenia-Aubi:
- Настольный датчик углекислого газа (CO2) Sensoair Z-Wave (SIG_SENS_T),
- Настенный датчик углекислого газа (CO2) Sensoair Z-Wave (SIG_SENS_W).
И) ACT:
- Датчик движения (ZIR010).
Z-Wave устройства для управления вентиляцией и отоплением
А) Merten:
- Радио сервопривод Connect (509201).
Б) Danfoss:
- Электронный терморегулятор living connect® (DAN_living).
В) Devi:
- Центральное устройство управления Devilink тип DCC +PSU (Devilink_19190000,
Devilink_19190001),
- Devilink™ RS
терморегулятор с датчиком температуры воздуха
(Devilink_19190004),
- Devilink™ FT терморегулятор управления нагревательным кабелем
(Devilink_19190005),
- Источник питания BSU для Devilink™ (батарейный) (Devilink_19190006),
- Крепежная панель с блоком питания PSU (в стену) для Devilink
(Devilink_19190060),
- Крепежная панель с блоком питания NSU (на стену) для Devilink
(Devilink_19190061),
- Центральное устройство управления Devilink™ СС 5 +NSU (Devilink_CC5NSU),
- Центральное устройство управления Devilink™ СС 5 +PSU (Devilink_CC5PSU).
Г) Everspring:
- Датчик влажности/температуры (EVR_ST814).
Д) Horstmann:
- Комнатный термостат с таймером (комплект) (HOR_AS2RF),
- Реле управления котлом (HOR_ASR2-ZW, HOR_HRT4-ASR-ZW),
- Настенный термостат с LCD дисплеем (передатчик) (HOR_HRT4-ZW),
- Настенный термостат с LCD дисплеем и актуатором (HOR_HRT4-ZW-SET).
Е) Danfoss:
- Радиаторный термостат RA-K-PLUS-w,
- Радиаторный термостат RA-PLUS-w .
Ж) Siegenia-Aubi:
- Настенный проветриватель AEROPAC wave (SIG_AEROPACK),
- Настольный датчик углекислого газа (CO2) Sensoair Z-Wave (SIG_SENS_T),
26
- Настенный датчик углекислого газа (CO2) Sensoair Z-Wave (SIG_SENS_W).
Z-Wave дисплеи
А) Schneider Electric:
- Центральный радиоконтроллер Connect (MTN505960, MTN505919).
Z-Wave шлюзы
А) Duewi:
- Беспроводной маршрутизатор (054474).
Б) FIBARO:
- Fibaro Home Center 2 (FIB_HC2).
В) Mi Casa Verde:
- Vera 2 (MCV_Vera2),
- Vera 3 (MCV_Vera3),
- VeraLite (MCV_VeraLite).
Г) Schneider Electric:
- Центральный радиоконтроллер Connect (MTN505919, MTN505960).
Д) Remotec:
- Z-Wave - AC IR преобразователь (REM_ZXT120, REM_ZXT300).
27
4
РАЗРАБОТКА
КЛАССИФИКАЦИИ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
БСС
С
ЦЕЛЬЮ
ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
4.1 Обзор протоколов беспроводных сенсорных сетей
ПРОТОКОЛОВ
ПРИКЛАДНОГО
По размерам физической зоны размещения БСС относятся к классу
беспроводных персональных вычислительных сетей (WPAN). Характерной
особенностью сетей WPAN является их невысокое энергопотребление. В настоящее
время сети WPAN представлены двумя классами: с укороченным радиусом действия
(до 10 м) и с увеличенным радиусом действия (до 100 м), что позволяет им по своим
функциональным возможностям находиться на стыке с WLAN. Персональные сети
могут быть созданы на базе различных стандартов, протоколов и технологий,
например: Bluetooth стандарта IEEE 802.15.1; ZigBee, 6loWPAN, DigiMesh стандарта
IEEE 802.15.4, WiMedia/MBOA UWB (Ultra Wideband) стандарта ECMA368 (на базе
стандарта IEEE 802.15.3a) или DS-UWB Forum стандарта IEEE 802.15.4a [18].
4.2 Стандарт IEEE 802.15.4
Стандарт IEEE 802.15.4 занял ранее пустовавшую нишу радиоинтерфейсов
(рисунок 2.4.15), которую заполняли либо устройства и технологии с более
высокими техническими характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо
решения, базирующиеся на отдельных микросхемах радиотрансиверов различных
производителей электронных компонентов, не имеющих под собой жестко
стандартизированной базы [19].
Рис. 2.4.15. Место стандарта IEEE 802.15.4 среди рассматриваемых
радиоинтерфейсов [19]
Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE
802.15.4 приведены на рисунке 2.4.16.
28
Рис. 2.4.16. Краткая характеристика стандарта IEEE 802.15.4 [19].
В стандарте IEEE 802.15.4 выделяется два вида узлов БСС: (1) устройства с
ограниченными функциями RFD (reduced-function device), осуществляющие сбор
информации в некоторой окрестности точки своего размещения; (2)
полнофункциональные устройства FFD (full-function device), выполняющие как
ретрансляцию пакетов, так и сбор информации. Сенсорные сети в стандарте IEEE
802.15.4 могут включать 264 сетевых устройств [20].
Сети стандарта IEEE 802.15.4 могут быть построены как по одноранговой
(равноправной) структуре так и по звезде. В каждой сети должно быть, по меньшей
мере, одно полнофункциональное устройство для работы в качестве координатора
[21].
Одноранговые сети могут формировать произвольные топологические
структуры, ограниченные только дистанцией между каждой парой узлов. Примером
одноранговой или пиринговой сети (от англ. peer-to-peer, P2P — равный к равному)
является кластерное дерево. Сеть типа кластерное дерево является частным случаем
сети P2P, в которой большинство устройств являются FFD. Устройства RFD
подключаются к кластеру в качестве оконечных узлов. Для присоединения к сети
удалённых от координатора PAN новых сетевых устройств могут использоваться
уже присоединённые к сети FFD в режиме координатора. В этом режиме они, как и
изначально координатор PAN, «зазывают» маяками в сеть новые сетевые
устройства. В результате формируется кластер из сетевых устройств, которые
«слышат» своего координатора. Тем не менее, вся информация о кластере доступна
координатору PAN. Подобным образом могут формироваться мультикластеры из
сетевых устройств [21, 22].
Стандарт IEEE 802.15.4 является базовой основой для более высокоуровневых
протоколов (ZigBee, 6loWPAN, DigiMesh и др) и позволяет строить с помощью
программных надстроек на сетевом уровне и выше любую из топологий
приведенных на рисунке 2.4.17.
29
Рис. 2.4.17. Поддерживаемые топологии сенсорной сети [23].
4.3 Сетевой протокол ZigBee
Набор протоколов ZigBee является реализацией стека протоколов
семиуровневой модели взаимодействия открытых систем [24]. Два нижних уровня
(физический и уровень доступа к радиоканалу) являются протоколами стандарта
IEEE 802.15.4 для низкоскоростных персональных радиосетей [25]. Протокол
ZigBee, как показано на рисунке 2.4.18, определяет сетевой и прикладной уровни, а
также подуровень безопасности [26].
Рис. 2.4.18. Стек протоколов ZigBee [26].
Устройства ZigBee сети благодаря встроенному программному обеспечению
обладают способностью при включении питания сами находить друг друга и
формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов могут
устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. Сеть ZigBee включает три
типа логических устройств: координатор ZigBee, маршрутизатор ZigBee и оконечное
30
устройство ZigBee. В функции координатора ZigBee входит сканирование частотных
каналов для нахождения свободного канала и создания сети, формирование
идентификатора сети (PAN ID), подключение новых сетевых устройств
(маршрутизаторов и оконечных узлов), маршрутизация и буферизация данных для
спящих оконечных узлов. В одной сети ZigBee должен присутствовать только один
координатор. В функции маршрутизатора ZigBee входит ретрансляция пакетов,
маршрутизация и буферизация данных для спящих оконечных узлов. Оконечные
узлы ZigBee выполняют только прикладные действия (сбор информации и
управление удаленным объектом) и не осуществляют ретрансляцию [27].
Протоколы ZigBee могут быть использована как для реализации простых
соединений "точка-точка" и "звезда", так и для образования сложных сетей с
топологиями "дерево" и "ячеистая сеть" (рисунок 2.4.18) [27].
Текущая спецификация ZigBee 2007 [28] позволяет создавать
самоорганизующиеся беспроводные сети с числом узлом в одной сети более 64000.
ZigBee поддерживает большое количество совместимых профилей (рисунок 2.4.19),
включая ZigBee Building Automation, ZigBee Health Care, ZigBee Home Automation,
ZigBee Smart Energy, ZigBee Telecom Services и в скором времени ZigBee Retail
Services и др[29].
Рис. 2.4.19. Некоторые профили ZigBee [29].
Для обеспечения совместимости на уровне приложения устройства ZigBee
используют библиотеку ZigBee-кластеров ZCL (ZigBee Cluster Library) [30]. Этот
документ вводит понятие стандартных типов устройств, стандартных команд для
этих устройств, специфицирует наборы стандартных атрибутов, диапазоны
значений этих атрибутов и типы данных для задания значений атрибутов. Набор
связанных атрибутов и команд, определяющих свойства объекта и методы работы с
ним, получил название кластер (рисунок 2.4.20). Например, для стандартного
устройства «лампочка» определен кластер «включить/выключить»(On/Off),
содержащий следующие атрибуты и команды [31]:
• стандартный атрибут — состояние (горит/не горит);
• стандартные команды — включить, выключить, изменить состояние на
противоположное.
31
Рис. 2.4.20. Взаимосвязь кластеров ZigBee и профилей приложений ZigBee [32].
Кластер разделяется на две части — серверную и клиентскую. Две его части
находятся на разных устройствах. Сервером является узел, который хранит значение
атрибута (в нашем случае это лампочка), а клиентом — устройство, которое
генерирует команду на изменение или считывание атрибута (в нашем примере это
выключатель). Одно и то же устройство может содержать клиентские части одних
кластеров и серверные части других [31].
Профиль Home Automation дает возможность производителям беспроводных
систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые
устройства класса «умный дом». Он регламентирует работу таких устройств, как
устройства
управления
осветительным
оборудованием,
системами
кондиционирования, отопления, вентиляции и т.д. [32]. В таблицах 2.4.4 и 2.4.5
показаны некоторые кластеры и устройства общего назначения профиля Home
Automation.
32
Таблица 2.4.4. Кластеры общего назначения профиля Home Automation [31].
Таблица 2.4.5. Устройства общего назначения профиля Home Automation [31].
33
Профиль Smart Energy (рисунок 4.2.21) позволяет обеспечить беспроводную
связь между устройствами домашней
автоматизации и устройствами
измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом
энергоресурсов. Появляется возможность регулировать режимы энергопотребления
и разгружать сеть в пиковые часы нагрузки [32].
Рис. 2.4.21. Профиль Smart Energy [32].
Профиль ZigBee Building Automation регламентирует централизованное
управление и мониторинг зданий. ZigBee Building Automation является
единственным беспроводным сетевым стандартом, поддерживаемым сетевым
протоколом BACnet (ISO 16484-5) и являющимся международным стандартом ISO
16484-5. BACnet (Building Automation and Control Networks) - это открытый
коммуникационный протокол для автоматизации и диспетчеризации зданий,
который разрабатывался специально для управления инженерными системами
зданий. Отличительной особенностью BACnet является то, что он позволяет
объединять в одном проекте оборудование и программное обеспечение от
различных производителей [33].
Профиль ZigBee Health Care [34] определяет механизмы взаимодействия
беспроводных устройств, предназначенных для безопасного и надежного
мониторинга некритических медицинских параметров. Профиль предназначен для
использования в быту, фитнес-центрах, домах престарелых и различных
медицинских учреждениях. Он обеспечивает полную поддержку IEEE 11073
устройств, включая глюкометры, измерители пульса, электрокардиографы,
медицинские весы, термометры, мониторы кровяного давления и измерители
параметров дыхания [35].
34
Профиль ZigBee Telecom Services ориентирован на описание и
предоставление беспроводного доступа к сервисам оператора связи [36]. Мобильные
телефоны, оборудованные SIM картой с поддержкой ZigBee, могут получать доступ
к сервисам и информации, предоставляемым оператором связи в месте нахождения
абонента.
Профиль ZigBee Retail Services ориентирован на работу в сфере торговли и
позволяет отслеживать, контролировать и автоматизировать закупку и поставку
товаров [37].
В рамках работ альянса ZigBee совместно с концерном RF4CE была создана
спецификация
ZigBee
RF4CE,
предназначенная
для
радиочастотного
дистанционного управлении. Сеть ZigBee RF4CE (рисунок 25) состоит из узлов двух
типов – управляющий узел и целевой (управляемый) узел. Целевой узел имеет
возможности координатора сети (в данном случае PAN сети) и, соответственно,
может инициировать создание сети (RC PAN). Управляющий узел может войти в
состав сети целевого узла. Несколько RC PAN сетей составляют общую сеть
контроля и узлы из различных RC PAN сетей могут взаимодействовать в рамках
данной сети. Для взаимодействия с целевым узлом, управляющий узел
переключается на другой радиоканал, получает идентификатор целевой сети RC
PAN ID. Затем, используя сетевой адрес регистрируется в целевой сети и
взаимодействует с выбранным узлом в целевой сети. На рисунке 2.4.22 показан
пример топологии сети ZigBee RF4CE, включающей в себя три целевых устройства:
TV, DVD, CD каждый из которых организует собственную RC PAN. Каждое из
целевых устройств имеет в своей сети управляющий узел [38].
Рис. 2.4.22. Пример ZigBee RF4CE сети [38].
В сети ZigBee только оконечные узлы могут переходить в сон.
Невозможность перевода координатора и маршрутизаторов в режим сна является
преградой на пути создания полностью автономной сенсорной сети. Эту проблему
частично решает сетевой протокол DigiMesh.
35
4.4 Сетевой протокол DigiMesh
Протокол DigiMesh является проприетарным решением компании Digi для
приемопередатчиков XBee и XBee-PRO, работающих на частотах 2.4 ГГц, 900 Мгц
и 868 МГц. Особенностью протокола DigiMesh [39] является возможность
построения mesh-сети (рисунок 2.4.23) со спящими маршрутизаторами. В сети
DigiMesh нет координатора с выделенной ролью — каждый из узлов сети может
взять его функции на себя. Возможность режима спящих маршрутизаторов в
DigiMesh позволяет всем узлам в сети синхронизировать время работы и сна. Все
синхронизированные узлы входят и выходят из режима низкого энергопотребления
в одно и то же время. Так формируется циклически засыпающая сеть. Узлы
синхронизируются путем получения специального RF-пакета (сообщения
синхронизации), который отправляется узлом, играющим роль координатора сна.
Узел сети может стать координатором сна, пройдя через процесс, называемый
процессом номинирования. Координатор сна отправляет одно сообщение
синхронизации в начале каждого периода работы сенсорной сети периодического
сбора
информации.
Сообщение
синхронизации
отправляется
путем
широковещательной рассылки. Время работы и сна всей сети в целом могут быть
изменены локальными изменениями настроек на отдельных узлах сети [40].
С практической точки применение модулей XBee серии 868LP для
построения DigiMesh сети позволяет на выделенных ГКРЧ частотных участках
диапазона 868 МГц при максимально разрешенной изотропно излучаемой мощности
25 мВт получить дальность связи 4 км на открытом пространстве и до 150 метров
внутри помещений между двумя узлами БСС.
Рис. 2.4.23. Пример DigiMesh сети [39].
Модули DigiMesh используют широкополосную модуляцию с прямым
расширением спектра и работают на одном фиксированном канале,
устанавливаемым с помощью команды CH.
36
Протокол DigiMesh использует протокол динамической маршрутизации,
основанный на AODV [41]. Далее идет выжимка по протоколу DigiMesh из
официальной документации [39].
Однонаправленная адресация
Доставка пакетов от одного узла к другому реализуется с использованием
повторных попыток и подтверждений. Количество повторных попыток
определяется параметром RR (Unicast Mac Retries). Если сетевое подтверждение не
получено в течение времени, необходимого для двойного прохождения пакетом
сети, происходит повторная передача. Число повторных попыток не превышает
более чем RR+1 раз. Для отправки однонаправленных сообщений устанавливается
адрес получателя (параметры DH и DL) на передающем модуле так, чтобы они
совпадали со значениями параметров SH и SL на принимающем модуле [39].
Таблица 2.4.6. Зависимость времени передачи сообщения смежному узлу от
максимального числа повторных попыток RR [39].
RR (повторные попытки) Оценка времени передачи пакета смежному узлу
при
однонаправленной
передаче
(unicastOneHopTime)
0
5 мс
1
24 мс
2
40 мс
3
63 мс
Когда маршрут к узлу назначения известен, время передачи в значительной
степени представляет собой функцию от количества ретрансляций и повторных
попыток. Задержку передачи пакета ( knownRoute Unicast ) в этом случае можно
оценить следующим образом [39]:
knownRoute Unicast  2 * NH * ( NR  1) * unicastOne HopTime
Если маршрут к узлу назначения неизвестен, то передающий узел начинает
процесс обнаружения маршрута. Если обнаружение маршрута завершилось успешно
и найден маршрут, то данные передаются. Тайм-аут, ассоциированный со всей
операцией в целом, может быть оценен следующим образом [39]:
unknownRou teUnicast  BroadcastT xTime  NH * unicastOne HopTime  knownRoute Unicast
Если маршрут к узлу назначения изменился с момента последнего успешного
обнаружения маршрута, то передающий узел пытается отправить данные по
предыдущему маршруту. После неудачи будет инициировано обнаружение
маршрута, и, по завершении обнаружения маршрута, данные будут переданы по
новому маршруту. Тайм-аут, ассоциированный со всей операцией в целом, может
быть оценен следующим образом [39]:
brokenRout eUnicast  BroadcastT xTime  NH * unicastOne HopTime  2 * knownRoute Unicast
37
Широковещательная адресация
Широковещательные пакеты принимаются и ретранслируются всеми
маршрутизаторами сети. Поскольку подтверждения здесь не используются,
исходный узел посылает широковещательный пакет несколько раз. Сообщение с
широковещательным адресом передается всем соседям. Все маршрутизаторы,
получившие сообщение, пересылают его MT+1 раз. Для минимизации коллизий
применяется алгоритм CSMA. Отправка большого числа широковещательных
пакетов может значительно уменьшить пропускную способность сети.
Широковещательный адрес представляет собой 64-битный адрес, в котором
младшие 16 бит установлены в 1. Старшие биты установлены в 0. Параметры NH,
NN и MT определяют максимальную задержку широковещательной трансляции
следующим образом [39]:
BroadcastT xTime  NN * NH * ( MT  1) *18 мс ,
где
NN — количество слотов времени случайной задержки,
NH — максимальное число ретрансляций от узла-отправителя к узлу- получателю,
(MT+1) — количество повторных пересылок широковещательных сообщений
маршрутизаторами.
Режимы сна
Существует три режима работы узлов DigiMesh сети [39]:
 SM0 – Нормальный режим (не совместимый со сном),
 SM7 – Режим с поддержкой сна (совместимый со сном, без низкого
энергопотребления),
 SM8 – Циклический режим сна (совместимый со сном, с низким
энергопотреблением).
Нормальный режим (SM0) является режимом по умолчанию для нового
включенного узла. В этом режиме узел не будет спать, но будет синхронизироваться
со спящей сетью. По завершению синхронизации нормальный узел будет
ретранслировать сообщения синхронизации, генерируемые узлами, совместимыми
со сном, но сам не будет генерировать сообщений синхронизации. Как только
нормальный узел синхронизировался со спящей сетью, его необходимо перевести в
режим, совместимый со сном.
Узел в циклическом режиме сна (SM8) засыпает в установленное время,
просыпается в одно и то же время с остальными узлами, обменивается данными и
сообщениями синхронизации и опять засыпает. В режиме пониженного
энергопотребления (сна) он не может получать сообщений или читать команды с
порта UART. Длительность времени работы и сна устанавливается параметрами SP
и ST координатором сна данной сети.
Узел в режиме с поддержкой сна (SM7) будет синхронизировать себя со
спящей сетью, но сам не заснет. В любой момент времени узел будет отвечать
сообщением синхронизации новым узлам в зоне радиовидимости, которые
пытаются присоединиться к спящей сети. Узел с поддержкой сна будет передавать
только обычные данные, когда узлы в спящей сети не спят. Узлы с поддержкой сна
38
особенно полезны, когда используются как предпочитаемые координаторы сна или
как помощники при добавлении несинхронизированных узлов в спящую сеть.
Поскольку узлы с поддержкой сна сами не спят, желательно поддерживать их
питание от постоянного источника энергии [39].
Процесс работы DigiMesh сети
Один из узлов в спящей сети работает координатором сна. В начала
очередного цикла работы координатор сна осуществляет широковещательную
рассылку сообщения синхронизации всем узлам сети. Это сообщение содержит
информацию о синхронизации и времени работы и сна для текущего цикла. Затем
координатор сна прослушивает соседние узлы на предмет передачи сообщения
синхронизации. Если передача не происходит, то координатор сна рассылает
сообщение синхронизации еще один раз. Все узлы с циклическим режимом сна,
получившие сообщение синхронизации, будут оставаться включенными в течение
времени работы (параметр ST) и затем засыпать на указанное время сна (параметр
SP). Если какой-нибудь узел DigiMesh сети пропустил несколько циклов
синхронизации (например, из-за RF-интерференции), то [39]:
 время, доступное для передачи сообщений, в период активной работы
уменьшается (в остальное время узел переходит в состояние приема
пакетов синхронизации),
 с пропуском очередного пакета синхронизации время сна уменьшается.
Несихронизированные узлы сети отправляют сообщения с запросом
информации о параметрах синхронизации. Синхронизированные узлы, которые
получают одно из этих сообщений, отвечают пакетом синхронизации. В протоколе
DigiMesh для решения проблемы неточности синхронизации внутренних таймеров
узлов DigiMesh сети применяется раннее пробуждение узла (для этого требуется
установить 3-й бит параметра SO в ноль).
Режим развертывания DigiMesh сети – это режим, который узлы с
поддержкой сна используют, когда они в первый раз включаются, а сообщение
синхронизации еще не доставлено. Координатор сна в режиме развертывания
рассылает сообщения синхронизации, пока сам не получит сообщение
синхронизации, которое отослал. Это позволяет сети настроиться на синхронную
работу и позволяет координатору сна, который был случайно или преднамеренно
перезагружен, быстро пересинхронизироваться с существующей сетью. Если узел,
вышедший из режима развертывания, получает сообщение синхронизации от
координатора сна, который находится в режиме развертывания, сообщение
синхронизации будет отклонено и координатору сна будет отправлено правильное
сообщение синхронизации. Режим развертывания может быть отключен (для этого
5-й бит параметра SO должен быть установлен в 1) [39].
Делегирование узлу DigiMesh сети роли координатора сна
Можно программно установить узлу роль координатор сна. Это делается
путем установки нулевого бита параметра SO в единицу. Узел с установленным
битом предпочтения координатора сна всегда рассылает сообщение синхронизации
в начале каждого цикла работы DigiMesh сети, поэтому этот бит должен быть
установлен не более чем у одного узла сети. Для минимизации широковещательного
трафика синхронизации сети желательно выбирать в качестве координатора сна
39
узел, находящийся в центре сети [39].
Автоматический выбор узлами DigiMesh координатора сна
Процесс номинирования происходит на узле DigiMesh сети в случае не
получения им трех или более сообщений синхронизации от координатора сна. В
этом случае узел назначает себя координатором сна и начинает рассылать
сообщения синхронизации. Возможна ситуация при которой несколько узлов
назначают себя координаторами сна. Если это произойдет, то будут иметь место
выборы с целью установления старшинства между несколькими координаторами
сна. Узел перестанет быть координатором сна, если получит сообщение
синхронизации от старшего узла [39].
Старшинство определяется на основе четырех факторов (в порядке приоритета) [40]:
1. Более новые параметры сна: узел, использующий более новые параметры
сна (SP/ST) будет назначен старшим по отношению к узлу с более старыми
параметрами сна.
2. Предпочитаемый координатор сна: узел, работающий как предпочитаемый
координатор сна, будет старшим по отношению к остальным узлам.
3. Узел с поддержкой сна: узлы с поддержкой сна являются старшими по
отношению к узлам с циклическим режимом сна.
4. Серийный номер: в случае, если все перечисленные выше правила не
смогли однозначно установить старшинство, то старшим назначается узел
с наибольшим серийным номером.
Изменение параметров работы узлов DigiMesh сети
Изменения параметров работы и сна DigiMesh сети достигаются путем
выбора любого узла в сети и изменения его параметров SP и/или ST. Если
используется предпочитаемый координатор сна или известно, какой узел работает
как координатор сна, то рекомендуется, чтобы именно этот узел использовался для
внесения изменений в сетевые настройки. Если сетевой координатор сна неизвестен,
то может быть использован любой узел, в котором не установлен бит опции
«неспящего координатора» [39].
Изменение параметров сна увеличивает вероятность того, что узлы
перестанут быть синхронизированными. Чтобы уменьшить эту вероятность следует
принять следующие меры предосторожности [39]:
1. Включить опцию раннего пробуждения при пропуске пакета
синхронизации. Эта команда заставляет узел постепенно просыпаться все
раньше с каждым циклом работы без синхронизации. Раннее пробуждение
увеличивает вероятность того, что несинхронизированный узел не будет
спать, когда сеть проснется и станет рассылать сообщения синхронизации.
Использование раннего пробуждения повышает надежность работы сеть,
но уменьшает время работы узла от батареи.
2. При изменении настроек работы и сна следует выбирать настройки так,
чтобы периоды работы и сна старых и новых параметров были бы кратны
целому числу (рисунок 2.4.24).
40
Рис. 2.4.24. Пример удачного изменения параметров работы и сна DigiMesh сети
[39].
4.5 Сетевой протокол Z-Wave
Z-Wave – это беспроводной протокол компании Zensys (в настоящее время
принадлежащей компании Sigma Designs), ориентированный на рынок
автоматизации жилого сектора. В начале 2012 протокол Z-Wave стал открытым
международным стандартом (МСЭ разработал стандарт ITU-T G.9959 [52] обратно
совместимый с Z-Wave). В августе 2012 года протокол Z-Wave получил разрешение
на использование в Японии на рынке систем автоматизации дома и зданий [53].
Протокол Z-Wave в России работает на выделенных ГКРЧ частотных участках
диапазона 868 МГц. Для продвижения продукции Z-Wave был создан консорциум
производителей Z-Wave Alliance [54].
Сеть Z-Wave может состоять из двух типов узлов – контроллеры и
подчиненные устройства. Контроллеры способны инициировать передачу, а также
хранить информацию, связанную с сетевой маршрутизацией. Ведомые устройства
являются оконечными устройствами, выполняющие запросы контроллера. Каждая
сеть Z-Wave имеет уникальный 32-битный идентификатор, называемый домашним
идентификатором (Home ID). Контроллеры имеют предустановленный сетевой
идентификатор, ведомые устройства получают Home ID от контроллера при
подсоединении к сети. Если к сети подсоединяется еще один контроллер, он
наследует Home ID от первичного контроллера. Индивидуальные узлы в сети
адресуются с использованием 8-ми битного идентификатора узла (8-bit Node ID),
который также назначается контроллером. Node ID уникален только в пределах
своей сети. Узлы Z-Wave формируют ячеистую (mesh) сеть с максимальным
количеством устройств в сети – 232. Скорость передачи данных в сети Z-Wave
составляет 40 Кбит/c. Среднее расстояние между двумя узлами составляет 30 м.
Сообщение может быть передано между узлами сети до 4 раз, таким образом,
покрытие является достаточным для большинства жилых домов [55].
Протокол Z-Wave использует маршрутизацию от источника, когда
контроллерное устройство, которое инициирует сообщение, генерирует полный
маршрут до конечного пункта назначения. Маршрут помещается в пакет данных, и
каждое промежуточное устройство, которое получает пакет с маршрутной
информацией, направляет его в соответствии с содержимым пакета. Минусом
такого подхода является увеличенная длина пакета [55].
Протоколы ZigBee и Z-Wave являются конкурентами для применения в
системах автоматизаций зданий. По своим сетевым возможностям протокол Z-Wave
является более простым по сравнению с ZigBee. К преимуществам ZigBee следует
отнести:
41
 протокол ZigBee базируется на стандарте IEEE 802.15.4, что дает
преимущество в условиях «зашумленной» среды,
 большие скорости передачи данных (250 Кбит/c против 40 Кбит/c),
 большее количество узлов сети (64000 против 232),
 маршрутизация ZigBee позволяет быстрее адаптироваться к изменениям
топологии сети и поддерживает большее число ретрансляций при доставке
пакета от источника до получателя (32 против 4),
 размер полезных передаваемых данных в одном пакете почти в два раза
больше чем у Z-Wave,
 модули ZigBee производят десятки различных компаний (модули Z-Wave
производит только компания Sigma Designs).
К недостаткам ZigBee по сравнению с Z-Wave следует отнести:
 на текущий момент на рынке представлено намного больше совместимых
друг с другом Z-Wave датчиков и устройств готовых к использованию,
 плохая совместимость модулей и устройств ZigBee различных
производителей,
 на текущий момент модули и устройства ZigBee в России в основной своей
массе продаются для работы на частотах 2,4 ГГц, что при той же
излучаемой мощности дает меньшую дальность уверенной связи по
сравнению с 868 МГц модулями Z-Wave. Электромагнитные помехи,
создаваемые повсеместно используемыми беспроводными локальными
сетями и другим оборудованием, работающем на частоте 2,4 ГГц снижают
качество связи ZigBee сети. Электромагнитные волны на частотах 2,4 ГГц
сильнее затухают в помещениях при преодолении преград (особенно
металлических или железобетонных) по сравнению с 868 МГц.
4.6 Сравнительный анализ протоколов
Выбор используемого протокола работы сенсорной сети целиком ложится на
плечи разработчика и зависит от прикладной задачи, для решения которой строится
сеть. На основе приведенного анализа можно классифицировать наиболее часто
используемые стандарты и протоколы беспроводных сенсорных сетей по
характерным особенностям, используемому беспроводному стандарту и по
целесообразности применения для мониторинга помещений клиентов оператора
связи и магистральных линий связи.
Таблица 2.4.7. Классификация протоколов БСС по их прикладному использованию
ZigBee
DigiMesh
6LoWPAN
Z-Wave
Характерная Наиболее
Позволяет
Позволяет Ориентирован на
особенность функционально строить
организова рынок
протокола
проработан для ячеистую
ть
автоматизации
решения
(mesh) сеть со взаимодейс жилого сектора.
широкого
спящими
твие БСС с Наибольшее
42
Беспроводн
ый стандарт
Целесообраз
ность
и
ограничения
/ риски по
применению
для
мониторинг
а
помещений
абонентов
оператора
связи
диапазона задач маршрутизатор
(благодаря
ами.
ZigBee RF4CE и
разработанным
профилям
ZigBee Building
Automation,
ZigBee
Health
Care,
ZigBee
Home
Automation,
ZigBee
Smart
Energy, ZigBee
Telecom Services
и др).
IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4
Использовать
целесообразно
благодаря
широким
функциональны
м
возможностям.
Ограничения:
1.плохая
совместимость
модулей
и
устройств
ZigBee
различных
производителей
может привести
либо
к
программноаппаратной
разработке
целой линейки
устройств
управления
и
мониторинга
“Умным домом”
либо
к
интеграции
с
другими
Использовать
целесообразно
в
сетях
с
топологией
mesh в задачах,
в
которых
проблематично
обеспечить
постоянное
электропитание
маршрутизатор
ов БСС.
Ограничения:
1.
Проприетарное
решение
компании Digi
(протокол
поддерживают
только модули
XBee),
2. Отсутствуют
на
рынке
устройства для
мониторинга и
управления
“Умным
домом”
с
43
другими
сетями
и
узлами IPсети
по
протоколу
IPv6.
количество
готовых
к
использованию
совместимых
друг с другом
датчиков
и
устройств
имеется
в
открытой
продаже.
IEEE
802.15.4
Использова
ть
целесообра
зно
в
задачах, в
которых
необходим
о
организова
ть
взаимодейс
твие БСС с
ССОП.
Ограничен
ия:
1.
Мало
представле
ны
на
рынке
устройства
для
мониторин
га
и
управления
“Умным
домом” с
помощью
протокола
ITU-T G.9959
(Z-Wave)
Использовать
целесообразно.
Ограничения:
1. Часть узлов
сети
должны
быть
всегда
подключены
к
сети постоянного
электропитания.
2.
Плохая
масштабируемос
ть.
Из-за
ограничений
протокола
ZWave
проблематично
его использовать
для мониторинга
больших
офисных зданий
и
территориально
разнесенных на
небольшом
расстоянии друг
от друга домов.
3. Модули ZWave производит
Целесообраз
ность
и
ограничения
по
применению
для
мониторинг
а
магистральн
ых
линий
связи (МЛС)
протоколами,
2. Часть узлов
сети
(маршрутизатор
ы
и
координатор)
должны
быть
всегда
подключены к
сети
постоянного
электропитания.
помощью
протокола
DigiMesh.
Требуется
осуществить
как
программноаппаратную
разработку
целой линейки
устройств, так и
интеграцию с
другими
протоколами.
Из-за
ограничений по
постоянному
электропитанию
части узлов БСС
на
магистральных
линиях
связи
использовать
протокол ZigBee
проблематично.
Использовать
для построения
DigiMesh сети
целесообразно
модули
XBee
серии
868LP,
что позволит на
выделенных
ГКРЧ
частотных
участках
диапазона 868
МГц
при
максимально
разрешенной
изотропно
44
6LoWPAN.
Требуется
осуществит
ь
как
программн
оаппаратну
ю
разработку
целой
линейки
устройств,
так
и
интеграци
ю
с
другими
протокола
ми.
2.
Часть
узлов сети
должны
быть
всегда
подключен
ы к сети
постоянног
о
электропит
ания
Из-за
ограничени
й
по
постоянно
му
электропит
анию части
узлов БСС
на
магистраль
ных
линиях
связи
использова
ть
протокол
только компания
Sigma Designs.
Не
целесообразно.
излучаемой
6LoWPAN
мощности
25 проблемат
мВт получить ично.
дальность связи
4
км
на
открытом
пространстве.
При этом для
мониторинга
протяженного
участка
МЛС
целесообразно
строить
независимые
БСС
на
конкретных
участках
с
передачей
собираемой
информации,
например,
на
GSM шлюз.
Ограничения:
1. Отсутствуют
на
рынке
устройства для
мониторинга
МЛС
с
помощью
протокола
DigiMesh.
Требуется
осуществить
как
программноаппаратную
разработку
целой линейки
устройств, так и
интеграцию с
другими
протоколами.
45
5 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ТРЕБУЕМЫХ
УЗЛОВ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА
ОБЪЕКТОВ ЗАКАЗЧИКА
Для примера рассмотрим задачу мониторинга проникновения, температуры,
влажности, освещения и дыма в большом офисном помещении.
В качестве датчиков, используемых на Ф-узлах БСС, будем использовать: датчик
проникновения (открытия/закрытия дверей и окон, реализованный на базе геркона и
магнита), датчик температуры, датчик влажности, датчик освещения, и датчик дыма.
Информация, собираемая датчиками, должна быть передана через транзитные узлы
на базовую станцию кластера БСС (центра сбора информации) центральную
базовую станцию через центры сбора информации (ЦСИ). Центры сбора
информации (или шлюзы) представляют собой более сложные программноаппаратные устройства, чем Ф- и Т-узлы, обладают значительными
вычислительными возможностями и поддерживают стандартные интерфейсы, а
также имеют два специальных приемопередатчика (на 2.4 ГГц стандарта IEEE
802.15.4 для взаимодействия с Ф- и Т-узлами и на 868 МГц для взаимодействия с
другими ЦСИ и центральной базовой станция) и не зависимы от ограничений в
энергопотреблении.
В качестве исходного размещения БСС будем использовать структуру, показанную
на рисунке 2.4.25, на которой заданы координаты Ф-узлов, ЦСИ и центральной БС,
требуется найти координаты Т-узлов. Дальность уверенной передачи радиосигнала
Ф- и Т-узла равна 20 метрам, дальность уверенной передачи радиосигнала ЦСИ
равна 175 метрам. Период сбора информации с Ф-узлов БСС равен 5 секундам.
Рис. 2.4.25. Пример исходного размещения БСС
46
Требуется разместить Т-узлы таким образом, чтобы вероятность связности
каждого из Ф-узлов множества {Df}, f = 1,…, k с его ЦСИ была больше чем Pmin =
0.99 и количество независимых путей от каждого Ф-узла к его ЦСИ было больше
чем KIND =2 при оптимизации числа размещенных
Т-узлов. Для размещения Тузлов воспользуемся разработанным алгоритмом ОУ-4 [12].
Входные параметры алгоритма:
Параметры синтеза ОУ-структуры БСС с помощью алгоритма ОУ-4
следующие:
– период сбора информации Ф-узлами с БСС 5000 мс,
– необходимое время работы БСС 8760 часов,
– математическое ожидание длительности одной ретрансляции 0.01 с,
– дисперсия длительности одной ретрансляции 0.0000083 с2,
– емкость батареи Ф-узла 3000 мАч,
– емкость батареи Т-узла 3000 мАч,
– средний ток потребления в режиме ретрансляции 18 мА,
– ток потребления в режиме сна 0.06 мА,
– интенсивность отказов Ф- и Т-узлов 10-6 1/ч,
– Pmin = 0.99,
– KIND =2.
Сформированная структура БСС с помощью алгоритма ОУ-4 показана на
рисунке 2.4.26. Количество размещенных Т-узлов равно 132.
Рис. 2.4.26. Отказоустойчивая структура БСС.
47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Nitaigour, P.M. (Editor) Sensor networks and configuration fundamentals,
standards, platforms, and applications / P.M. Nitaigour // Springer. — 2007. — 510 p.
2.
Кучерявый, Е.А. Принципы построения сенсоров и сенсорных сетей / Е.А.
Кучерявый, С.А. Молчан, В.В. Кондратьев // Электросвязь, 2006. — №6 — С.10-15.
3.
Беспроводные системы на базе сенсорных сетей для автоматизации объектов
нефтяной промышленности / URL: http://www.ipmce.ru/img/release/oil.pdf.
4.
Мочалов, В.А. Навигация и мониторинг в сенсорной сети с использованием
планшетных ПК / В.А. Мочалов, Е.Н. Турута, А.А. Халецкий // Материалы IX
Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи
информации – ПТСПИ-2011». — Владимир-Суздаль, 2011. — Т. 1. — С. 85-88.
5.
А.В. Прокопьев. Перспективы использования протокола 6LoWPAN в сетях
IEEE 802.15.4 // Электросвязь, 2009. — №1 — С.33-36.
6.
R. Faludi. Building Wireless Sensor Networks // O'Reilly Media, 2010 — 320 с.
7.
В.А. Мочалов, Турута Е.Н. Построение отказоустойчивой структуры
беспроводной сенсорной сети с учетом отказов центров сбора информации // Труды
Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям
IS&IT’12. Научное издание в 4-х томах. – М.: Физматлит, 2012. – Т.2. – 421 с. — C.
214–222.
8.
Сергиевский, М. Беспроводные сенсорные сети. Часть 2. // КомпьютерПресс,
2008. — №4 / URL: http://www.compress.ru/article.aspx?id=18943&iid=877.
9.
Беспроводные сети Wi-Fi / URL:
http://www.intuit.ru/department/network/wifi/5/wifi_5.html .
10. В.А. Мочалов, Турута Е.Н. Интеллектуальная процедура выбора
отказоустойчивой топологии и компонентов сенсорной сети // Труды
Международных научно-технических конференций "Интеллектуальные системы"
(AIS`08) и "Интеллектуальные САПР" (CAD–2008). — М. : Физматлит, 2008. — Т.
1. — C. 385–392.
11. В.А. Мочалов, Е.Н. Турута. Функциональная схема процесса проектирования
беспроводных сетей мониторинга // Датчики и системы, 2010. — №2 — C.40-44.
12. Мочалов В.А. Метод синтеза отказоустойчивой структуры сенсорной сети при
наличии ограничений по размещению узлов сети в разнородном пространстве // TComm, 2012. — №9.
13. Мочалов В.А. Метод синтеза отказоустойчивой структуры сенсорной сети при
наличии ограничений по размещению узлов сети в разнородном пространстве //
Программа научно-технических секций шестой отраслевой научной конференции
"Технологии информационного общества" МТУСИ — Москва — 14-15 февраля
2012 г — С. 98–99.
14. К. Райншке, И.А. Ушаков. Оценка надежности систем с использованием
графов // М.: Радио и связь, 1988.
15. Мочалов, В.А. Алгоритмы увеличения общего времени работы сенсорной сети
до момента ее отказа / В.А. Мочалов // Приборы и системы. Управление, контроль,
диагностика. — М.: “НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ”, 2010. — №7. — С. 12–19.
48
16. Sichitiu, M.L. Cross-layer scheduling for power efficiency in wireless sensor
networks / M.L. Sichitiu // INFOCOM 2004 — Twenty-third Annual Joint Conference of
the IEEE Computer and Communications Societies, 7–11 March, 2004. — Hong Kong —
Vol. 3. — P. 1740–1750.
17. Мочалов, В.А. Построение расписания доступа в беспроводную сенсорную
сеть / В.А. Мочалов // Электросвязь, 2009. — №10 — С.36-40.
18. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача
речевой информации через WPAN. URL: http://www.russianelectronics.ru/leaderr/review/2187/doc/54063/ .
19. Панфилов, Д., Соколов, М. Введение в беспроводную технологию ZigBee
стандарта 802.15.4. URL: http://www.freescale.com/files/abstract/global/s50210.pdf .
20. Прокопьев, А.В. Перспективы использования протокола 6LoWPAN в сетях
IEEE 802.15.4 / А.В. Прокопьев // Электросвязь, 2009. — №1 — С.33-36.
21. Семенов, Ю.А. Телекоммуникационные технологии. URL: http://book.itep.ru/
(дата обращения: 22.02.2010).
22. Варгаузин, В.А. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и
управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 / В.А. Варгаузин //
ТелеМультиМедиа. — 2005. — №6.
23. Faludi, R. Building Wireless Sensor Networks // O'Reilly Media, 2010 — 320 с.
24. Таненбаум, Э. Компьютерные сети / Э. Таненбаум — Спб. : Питер, 2003 — 992
с.
25. Варгаузин, В.А. Сетевая технология ZigBee / В.А. Варгаузин //
ТелеМультиМедиа. — 2005. — №6. — С. 29–32.
26. Кучерявый, Е.А. Беспроводные сенсорные сети и их роль в прогрессивном
обществе XXI века / Е.А. Кучерявый // Информационные телекоммуникационные
сети, 2006. — апрельский выпуск — С.36-45.
27. Технология ZigBee / URL: http://www.spectronvideo.ru/zigbee.html.
28. Официальная спецификация ZigBee / URL:
http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/download.aspx.
29. ZigBee Specification Overview / URL:
http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/Overview.aspx.
30. ZigBee cluster library specification / URL:
http://www.zigbee.org/zigbee/en/spec_download/spec_download.asp?AccessCode=13513
95201 .
31. Солодунов, С. Реализация стандартного профиля ZigBee Home Automation на
базе платформы Ember. Часть 1 / С. Солодунов // Беспроводные технологии, 2009.
— №4 — С.40-42.
32. Статья Беспроводные сети ZigBee / URL:
http://www.wless.ru/technology/?tech=1 .
33. ZigBee Building Automation Overview / URL:
http://www.zigbee.org/Standards/ZigBeeBuildingAutomation/Overview.aspx.
34. ZigBee Health Care Overview / URL:
http://www.zigbee.org/Standards/ZigBeeHealthCare/Overview.aspx .
35. Новостной обзор “Опубликована спецификация профиля ZIGBEE HEALTH
CARE” / URL: http://wless.ru/news/?id=76 .
49
36. ZigBee Telecom Services Overview / URL:
http://www.zigbee.org/Standards/ZigbeeTelecomServices/Overview.aspx .
37. ZigBee Retail Services Overview / URL:
http://www.zigbee.org/Standards/ZigBeeRetailServices/Overview.aspx .
38. ZigBee RF4CE Network Topology / URL:
http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBeeRF4CE/NetworkTopology.aspx .
39. Главная страница официальной документации сетевого протокола DigiMesh /
URL: http://www.digi.com/technology/digimesh/.
40. Пушкарев, О. ZigBee-модули XBee: новые возможности / О. Пушкарев //
Беспроводные технологии. — 2008. — №4. — С. 22–25.
41. Perkins, C., Belding-Royer, E., Das, S. Ad hoc On-Demand Distance Vector
(AODV) Routing — IETF. RFC 3561 — July 2003.
42. Аджемов А.С. Задачи гармонизации технологии Softswitch с особенностями
построения российских сетей связи / А.С. Аджемов // Электросвязь. — 2003. —
№11.
43. Васильев, А.Б. Тестирование сетей связи следующего поколения / А.Б.
Васильев, Д.В. Тарасов, Д.В. Андреев, А.Е. Кучерявый // М.: Изд-во ФГУП ЦНИИС,
2008 — 144 с.
44. Кучерявый, А.Е. Сети связи следующего поколения / А.Е. Кучерявый, А.Л.
Цуприков// М.: Изд-во ФГУП ЦНИИС, 2006 — 278 с.
45. Аджемов, А.С. Перспективные направления развития сетей связи общего
пользования / А.С. Аджемов, А.Б. Васильев, А.Е. Кучерявый // Электросвязь. —
2008. — №10. — C. 6-7.
46. Кучерявый, А.Е. Модели трафика для сенсорных сетей в u-России / А.Е.
Кучерявый, А.И. Парамонов // Электросвязь. — 2006. — № 6. — С. 15-18.
47. Кох, Р. Эволюция и конвергенция в электросвязи / Р. Кох, Г.Г. Яновский // М.:
Радио и связь, 2001 — 280 с.
48. Ubiquitous Sensor Networks (USN). ITU-T Technology Watch Briefing Report
Series, No. 4 (February 2008) / URL: http://www.itu.int/dms_pub/itut/oth/23/01/T23010000040001PDFE.pdf .
49. Прокопьев, А.В. Перспективы использования протокола 6LoWPAN в сетях
IEEE 802.15.4 / А.В. Прокопьев // Электросвязь, 2009. — №1 — С.33-36.
50. Shelby, Zach. 6LoWPAN : the wireless embedded internet / Zach Shelby, Carsten
Bormann // Wiley. — 2009. — 223 c.
51. Калачев, А. 6LoWPAN – взгляд на беспроводные IP-сети от Texas Instruments
А. Калачев // Новости электроники, 2012. — №1.
52. G.9959 : Short range narrowband digital radiocommunication transceivers – PHY
and MAC layer specifications / URL: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.9959/en .
53. Z-Wave Alliance Expands Global Reach to Japan / URL: http://www.zwavealliance.org/modules/iaCM-ZW-PR/readMore.php?id=609222656 .
54. Официальный сайт Z-Wave Alliance / URL: www.z-wavealliance.org .
55. Galeev, M.T. Catching the Z-Wave / URL:
http://www.eetimes.com/design/embedded/4025721/Catching-the-Z-Wave
56. Федеральный закон от 07.07.2003 N 126-ФЗ (ред. от 08.12.2011) "О связи"
57. Wireless Connectivity Guide / URL: http://focus.ti.com/lit/sg/slab056/slab056.pdf
50
58. TI Low Power RF. Designer's Guide to LPRF / URL:
http://focus.ti.com/lit/sg/slya020a/slya020a.pdf .
59. Калачев, А. Беспроводные приложения: план действий, компоненты Texas
Instruments – и вперед! / А. Калачев // Новости электроники, 2011. — №4.
60. Пушкарев, О. Системы беспроводной передачи данных компании MaxStream //
Новости Электроники. – 2006. – №2.
61. Пушкарев, О. ZigBee-модули XBee: новые возможности // Беспроводные
технологии. – 2008. – №4. – С. 22-25.
62. XBee / RF Family Features Comparison / URL:
http://www.digi.com/pdf/chart_xbee_rf_features.pdf .
63. Atmel MCU Wireless Bundles / URL:
http://www.atmel.com/products/microcontrollers/wireless/bundles.aspx .
64. Новостной обзор “Atmel запустил в производство приемопередатчик AT86RF232 с низкой потребляемой для экономичных приложений” / URL:
http://www.rtcs.ru/news_detail.asp?id=1963 .
65. Atmel MCU Wireless Solutions. Product Line Introduction / URL:
http://rainbow.com.ua/upload/files/ATMEL/06%20%20Atmel%20MCU%20Wireless_Product%20Line%20Introduction_December%202010
.pdf .
66. Официальная документация семейства модулей STM32W “STM32W108HB
STM32W108CC STM32W108CB STM32W108CZ High-performance, IEEE 802.15.4
wireless system-on-chip with up to 256 Kbytes of embedded Flash memory” / URL:
http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATU
RE/DATASHEET/CD00248316.pdf .
67. Новостной обзор “ STM32W – беспроводная система на кристалле от компании
STMicroelectronics” / URL: http://www.compel.ru/2009/11/27/stm32w-besprovodnayasistema-na-kristalle-ot-kompanii-st/ .
68. Клянчин А.И., Мочалов В.А., Мазуркевич Д.О. Энергетические аспекты
беспроводных сенсорных сетей на основе модулей XBEE и линейки
микроконтроллеров ARDUINO. Материалы IX Международной НТК
«Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ-2011». —
Владимир-Суздаль, 2011. — Т. 1. — С. 81-85. 5 стр.
69. Статья «1-Wire» / URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/1-Wire .
70. Документация микроконтроллера ATmega168 / URL:
http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2545.pdf .
71. Nokia Research Center. NRC at Nokia World 2010: Indoor Navigation. URL:
http://research.nokia.com/news/9505.
72. Nokia gate5 office. A First Step Towards Indoor Navigation. Literally. URL:
http://www.vicchi.org/2010/11/23/a-first-step-towards-indoor-navigation-literally/ .
73. Мочалов В.А., Турута Е.Н., Халецкий А.А. Навигация и мониторинг в
сенсорной сети с использованием планшетных ПК. Материалы IX Международной
НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ2011». — Владимир-Суздаль, 2011. — Т. 1. — С. 85-88. 4 стр.
51
Решение Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от 07 мая 2007
года № 07-20-03-001 / URL : http://rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_07-2003-001_ot_07_05_2007.htm .
75. Перечень открытых радиочастот и параметров передающих устройств по
решению ГКРЧ / URL : http://www.compel.ru/fordesigners/lib/gkrch/ .
76. РЕШЕНИЕ от 15 декабря 2009 г. № 09-05-09 О внесении изменений в решение
ГКРЧ от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот
устройствам малого радиуса действия» / URL :
http://23.rsoc.ru/docs/23/GKRCH09-05-09.doc .
77. Пушкарев О. Решения компании Digi для систем сбора данных и
промышленной телеметрии / URL: http://www.compel.ru/wordpress/wpcontent/uploads/2011/03/01_Digi_main.pdf .
78. Решение от 28 апреля 2008 года N 08-24-01-001 О внесении изменений в
решение ГКРЧ от 07.05.2007 N 07-20-03-001 " О выделении полос радиочастот
устройствам малого радиуса действия" / URL: http://23.rsoc.ru/docs/23/GKRCH08-2401-001.doc .
74.
52