Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 121
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Сети (МИФИ) » Домашние задания (по сетям МИФИ)

СЕНСОРНАЯ СЕТЬ В «УМНОМ ДОМЕ»

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(НИЯУ МИФИ)
Факультет: Автоматика и Электроника
Кафедра: Микро- и наноэлектроника
Курс: Сети компьютеров


СЕНСОРНАЯ СЕТЬ В «УМНОМ ДОМЕ»



Выполнила: Макарова Н. В.
Группа: А9-09
Преподаватель: доцент Лапшинский В. А.
Дата: 21.10.2012



Содержание
    1. Введение
    2. Глоссарий
    3. Сенсорная сеть умного дома
    4. Сравнительный анализ беспроводных систем
    5. Сенсорные сети и умная пыль
    6. Реализация задачи
    7. Оборудование
    8. Заключение
    9. Список литературы


Введение

   В основе данной работы лежит рассмотрение современных технологий, позволяющих передавать данные с помощью сети между датчиками и исполнительными устройствами.

Глоссарий

    1. Беспроводная сенсорная сеть (англ. WSN – Wireless Sensor Network) — это распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Каждый узел такой сети оборудован (кроме одного или нескольких датчиков) устройством связи, микроконтроллером, источником питания.

    2. Умный дом – это жилой тип автоматизированных зданий (множество устройств, объединенных в сеть с централизованным управлением).

    3. Bluetooth (синий зуб) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN), которая обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как ПК, мобильные телефоны, принтеры, фотоаппараты, мышки, клавиатуры, гарнитуры на надёжной, бесплатной, доступной радиочастоте для ближней связи.

    4. ZigBee — название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4.

    5. Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity, «высокая точность беспроводной передачи данных») — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11.

    6. Умная пыль — термин, используемый для описания сети из малых беспроводных микроэлектромеханических систем (МЭМС) и дополнительных устройств, которые могут взаимодействовать между собой и получать данные о состоянии внешней среды (например, температуре, свете, давлении).


Сенсорная сеть умного дома

   Умный дом предназначен для максимально комфортной жизни людей посредством использования современных высокотехнологических средств. К основным подсистемам умного дома относятся: климат-контроль, освещение, мультимедиа (аудио и видео), охранные системы, селекторная связь, и другие (рис. 1).


Рис. 1. Структура умного дома


   Принцип работы системы умный дом заключается в автоматизации всего, из чего состоит жилая постройка: освещение, кондиционирование, система безопасности, электроэнергия, отопление и так далее. Говоря простым языком, умный дом – это революционная система. С ее появлением отпала необходимость заботиться о своем жилище, поскольку теперь жилище само заботится о своем владельце.

   В стандартном проекте умного дома можно, например, выделить три основные подсети: сеть мультимедийных устройств, сеть электроосветительного оборудования и сенсорную сеть. В последнем случае это датчики движения, света, температуры, давления, влажности, вибрации и т.п. Таким образом, умный дом состоит из: программного и аппаратного обеспечения, датчиков, проводки.

   Для сравнения предложены следующие варианты реализации сетевого сопряжения умного дома: Bluetooth, ZigBee (или 802.15.4/Zigbee), Wi-Fi.

Сравнительный анализ беспроводных сетей

   Любой стандарт, будь то интерфейс проводного обмена данными или беспроводная связь, создается для решения своего круга задач (рис. 2).

   К примеру, WiFi позволяет связываться на средних расстояниях с относительно большими скоростями передачи данных; позволяя передавать видео и аудио, WiFi ориентирован на применение для доступа беспроводных устройств в корпоративные сети и Интернет.

   Также стандарт Bluetooth предназначен для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth существенно проигрывает в скорости WiFi; он идеален для передачи потокового аудио или видео, к примеру, между компонентами домашнего кинотеатра.

   Основная задача, решаемая при помощи ZigBee, - передача небольших объемов данных на средние расстояния. Специфичность предназначения ZigBee состоит в том, что приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь минимальное энергопотребление. С IEEE 802.15.4 и ZigBee нельзя передавать качественное потоковое аудио или видео высокой четкости, зато можно реализовать сложные схемы мониторинга и управления практически в любой сфере.

   Более подробно основные характеристики беспроводных сетей представлен в табл. 1.


Рис. 2. Соотношение друг с другом беспроводных технологий с точки зрения дальности действия и скорости передачи, и сферы их применения в зависимости от этих параметров.

Табл. 1. Сравнительные характеристики технологий Bluetooth, Wi-Fi и Zigbee


Сенсорные сети и "умная пыль"

   Понятие умной пыли (smartdust) ввел Кристофер Пистер из Калифорнийского университета Беркли в 2001 году.

   Не совсем привычным для высоких технологий термином «умная пыль» называются миниатюрные сенсоры, которые обладают возможностями вычислений и беспроводной связи, а также памятью для хранения данных и чувствительными элементами для измерения параметров окружающей среды. Предполагается, что базовые элементы «умной пыли» — моты (англ. mote — пылинка), в итоге будут размером c зернышки песка или даже частицы пыли. Каждый мот имеет собственные сенсоры, вычислительный узел, коммуникацию и питание. Группируясь вместе, моты автоматически создают очень гибкие сети с малым потреблением питания. Области их применения могут варьироваться от систем управления климатом до устройств для развлечения, взаимодействующих с другими информационными устройствами.

   «Умная пыль» прекрасно подходит для организации беспроводных сетей, в которых узлы связываются друг с другом по мере надобности. Такая сеть обладает распределенными вычислительными возможностями, полоса пропускания сети растет с ростом ее размеров. Помимо собственно сенсоров, сенсорные сети включают в себя и некоторое количество «шлюзов». Последние нужны для того, чтобы собирать, обрабатывать и направлять дальше информацию с окружающих их сенсоров. На первом этапе развития концепции «умной пыли», создатели сенсоров усиленно стремились к уменьшению их размеров. Однако, опыт их внедрения показал, что миниатюризация не всегда приветствуется в промышленности. Поэтому первые образцы «умной пыли», созданные корпорацией Intel, представляли собой платы размером 3 х 3 см.

   Еще одно, уже реализованное применение новых сенсоров, - контроль за системами водоснабжения. Сенсоры устанавливаются на водопроводных трубах и сигнализируют о дрожании трубы, о влажности окружающей среды специальному шлюзу, расположенному где-то на фонаре или на доме в пределах досягаемости беспроводной связи сенсоров. Энергопитание сенсоров - от батареек, а шлюзов - от сети. В Бостоне такая сеть уже успешно эксплуатируется.

   Сейчас создается второе поколение сенсоров «умной пыли». В их основе - 32-битный процессор XScale, а для сжатия информации используется специальный процессор, так же как и для обеспечения безопасности. Размеры новых сенсоров меньше, чем у предыдущего поколения почти в два раза. В новых сенсорах - большая RAM и FLASH-память и они могут работать на основе операционной системы Linux. Кроме этого, они обладают высокоскоростными возможностями ввода информации, например, с видеокамер.

   Отдельное направление исследований - вопрос энергопитания. Есть, например, проекты питания сенсоров от солнечных батарей размером 10х10 см. Исследуются возможности преобразования вибрации механизмов в электроэнергию. С помощью сенсоров нового поколения планируется реализовать свою идею «проактивных, или упреждающих вычислений».

   До сих пор компьютеры делают только то, что им говорит человек. А вот в будущем, наши ПК будут сами предугадывать наши потребности и самостоятельно действовать в наших интересах. Компьютер будет анализировать текущую обстановку, производить упреждающие вычисления и предлагать нам те или иные варианты возможных дальнейших действий, а в ряде случаев даже будет действовать сам, освобождая нас от необходимости совершения рутинных процедур.

   Сенсорные сети, состоящие из множества самостоятельных миниатюрных автономных устройств, обладающих возможностями беспроводной связи, будут способны самоорганизовываться в сети и взаимодействовать друг с другом и с «центром», обладая при этом внушительным запасом надежности.

Реализация задачи

   При создании системы "умный дом" рано или поздно придется решать проблему обеспечения устойчивой, надежной и главное недорогой связи между всеми устройствами, входящими в "умный дом". Решение данной проблемы лежит на поверхности - нужно использовать беспроводную связь!

   В результате анализа вариантов реализации сети в «умном доме» технология ZigBee подходит больше всего. На основе ZigBee может быть построено даже централизованное управление "умным домом"; стандарт поможет соединить системы охранной и пожарной сигнализации, управление освещением, мониторинг газового оборудования и многое другое.

   Она подошла проекту по следующим критериям:
    1. Низкая энергопотребляемость (снижение затрат времени на дополнительную зарядку, автономность, потребляемая мощность: от 0.3 мкА до 26.9 мА)
    2. Отсутствие потребности широкого канала (передача происходит короткими командами со скоростью до 250 кбит/с)
    3. Удобоваримая стоимость (от 4,5 у.е.)


Оборудование

   Для создания беспроводных сенсорных сетей и беспроводного радиочастоного управления промышленным оборудованием и бытовой техникой был разработан специальный международный стандарт ZigBee. Ряд фирм (TI, Motorola и др.) предлагают микросхемы радио-трансиверов (например, СС2500 от TI) для построения беспроводных промышленных сетей нового поколения с частотой передачи данных 2,4 ГГц. Добавление к такому трансиверу микроконтроллера общего назначения со встроенной поддержкой стека протокола обмена ZigBee позволяет создавать готовые для использования ZigBee-модули. Они выпускаются рядом фирм, например, модуль Z430-RF2500 фирмы TI, и позволяют производителю электротехнического оборудования вести разработку приложений с использованием уже готовых интегрированных средств разработки, например, Code Composer Essentials. Программный стек сети SimpliciTI простейшей конфигурации «звезда» поставляется вместе с модулем. При этом обеспечивается быстрое написание, загрузка и отладка программного обеспечения в реальном времени, в том числе с точками останова и в пошаговом режиме. Для сопряжения с компьютером применяются модули отладочных интерфейсов. Они выполняют функцию преобразователей интерфейсов, например, USB в UART микроконтроллера. Через такие модули выполняется также программирование флэш-памяти микроконтроллера.

   Дальнейшим развитием является интеграция микроконтроллера общего назначения и радио-трансивера в одном корпусе и создание так называемых ZigBee-процессоров. ZigBee-модули или процессоры создаются на базе лучших в отрасли микроконтроллеров по критерию максимума возможностей при минимуме энергопотребления и цены. Так, в модуле Z430-RF2500 применяется микроконтроллер MSP430F2274 с производительностью 16 млн. оп./с, объемом встроенной флэш-памяти 32 Кбайта и рядом встроенных на кристалл периферийных устройств: 10-разрядным АЦП с частотой выборки 200 кГц, двумя встроенными операционными усилителями, сторожевым таймером, контроллерами интерфейсов UART/LIN, SPI, I2C, IrDA.

   Микроконтроллер имеет пять режимов пониженного потребления энергии с током в режиме ожидания всего 700 нА (мировой лидер по микропотреблению). Это позволяет создавать серии интеллектуальных беспроводных датчиков с батарейным питанием для распределенных систем управления в промышленности и сельском хозяйстве, для интеллектуальных домов, для жилищно-коммунальной сферы. Например, такой датчик давления, установленный на верхнем этаже многоэтажного здания, позволяет создавать рабочие станции холодного и горячего водоснабжения, работающие по давлению в диктующей точке. Естественно, что преобразователь частоты, включенный в такую систему должен иметь беспроводный ZigBee-интерфейс.

   Мы уже имеем небольшой опыт создания и опытной эксплуатации преобразователей частоты «iCAN» и многоканальных регуляторов напряжения «МИРН» с беспроводными интерфейсами – рис. 3.


Рис. 3. Многоканальный регулятор напряжения (9 каналов) с беспроводным интерфейсом


   К сожалению, пока эта элементная база находится в стадии становления и опытной эксплуатации. Поэтому, реально полученные дальности устойчивой связи не превышают 150 м, а скорости обмена данными – лишь 10 кбит/с. Тем не менее, направление создания электрооборудования с беспроводными интерфейсами является чрезвычайно перспективным.

   В начале 2010 г. появились более производительные модули от TI – Zetty ULP24LE с микроконтроллерами MSP430F22xx, трансиверами СС2520 и дополнительными усилителями СС2590, что позволяет поднять дальность устойчивой связи до 1000 м. В перспективе создание сверх-высокопроизводительных радиомодулей на базе микроконтроллеров с ядром CortexTM M3, что полностью снимает ограничения как по числу узлов в промышленной сети, так и по ее конфигурации.

Заключение

   Проделанная работа выявила, что сенсорные сети подходят для решения задач сбора, обработки и передачи информации с высокими требованиями по автономности, надежности, масштабируемости и распределенности сети.

   Кроме того были выявлены основные преимущества беспроводных сенсорных сетей:
    1. Оперативность и экономичность развертывания
    2. Отсутствие необходимости в техобслуживании
    3. Длительная автономная работа
    4. Отказоустойчивость и надежность в жестких условиях эксплуатации
    5. Широкая область применений


   А системы, построенные на основе таких сетей, обладают следующими достоинствами:
    1. Возможность расположения в труднодоступных местах, куда сложно и дорого тянуть обыкновенные проводные решения
    2. Оперативность и удобство развертывания и обслуживания системы
    3. Надежность сети в целом — в случае выхода из строя одного из них, информация передается через соседние элементы
    4. Возможность добавления или исключения любого количества устройств из сети
    5. Высокий уровень проникновения сквозь препятствия (стены, потолки) и стойкость к электромагнитным помехам (благодаря высокой частоте работы системы — 2,4 ГГц)
    6. Длительное время работы без замены элементов питания


   Сенсорная сеть обладает способностью к ретрансляции сообщений по цепочке от одного к другому, что позволяет в случае выхода из строя одного из узлов организовать передачу информации через соседние узлы без потери качества. Сама сеть определяет оптимальный маршрут движения информационных потоков.

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/ - Технологии беспроводных сетей, 2012 г.;
2. http://sdlrobotics.com/ - Справочная по «Умному дому», 2011 г.;
3. http://www.telemultimedia.ru/ - Интернет-журнал по широкополосным сетям и мультимедийным технологиям, 2008 г.;
4. http://houseclever.ru/ - Козаченко В. Ф., «Перспективная микропроцессорная элементная база и опыт разработки современных систем управления электроприводами и силовыми преобразователями энергии», 2010 г.;
5. http://samlib.ru/s/sibirjanin_i/dust.shtml - Сибирянин И., «Умная пыль и сверхчеловек», 2009 г.
Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: Lenore (26.10.2012) | Автор: Макарова Нина Валерьевна
Просмотров: 4893 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта