Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Отчет по Домашнему Заданию №1

по курсу “Сети компьютеров”

на тему:

Подготовила студентка группы А9-11

Балаева Л.И.

Проверил доцент кафедры №27

Лапшинский В.А.

Москва

02.10.2014

Оглавление

Реферат
Список определений, обозначений и сокращений
Введение
Беспроводная сенсорная сеть
Основные принципы работы
Аппаратное обеспечение и стандарты
Преимущества сенсорных сетей
Военное применение
Системы дистанционного наблюдения за полем боя на базе РСП
Беспилотные летательные аппараты
Заключение
Литература

Этот отчет посвящен применению беспроводных сенсорных сетей в военных целях.
Число страниц: 30
Рисунков: 7
Таблиц: 1
Источников в списке литературы: 5
Ключевые слова: Беспроводная сенсорная сеть; ZigBee; 6LoWPAN; ANSI; WirelessHART, БПЛА.

Беспроводная сенсорная сеть (англ. WSN — Wireless Sensor Network) — это беспроводная сеть, состоящая из территориально распределенных автономных устройств, использующих датчики для совместного контроля физических или экологических условий в разных районах, например температуры, звука, вибрации, давления, движения или воздуха.
ZigBee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня (уровня приложений API и сетевого уровня NWK), использующих сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4.
6LoWPAN (англ. IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) — стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4.
ANSI (англ. American National Standards Institute) — Американский национальный институт стандартов.
IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers («Институт инженеров по электротехнике и электро-нике»)
HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств.
WirelessHART или IEC 62591 — сетевая технология для беспроводных устройств на базе протокола HART.
БЛА - беспилотный летательный аппарат.
РСП - разведывательно-сигнализационный прибор.

В то время как люди только знакомятся с использованием беспроводных устройств, исследования в области беспроводных сетей намного опережают существующие тенденции на современном рынке. В начале 2000 ученые начали исследовать возможное использование сенсорных датчиков совместно с беспроводной сетью. Это исследование привело к развитию нового вида коммуникационных сетей под названием Беспроводные сенсорные сети.
Сенсорный датчик (или сенсор) – это миниатюрное устройство, обладающее определенными свойствами. Он может зондировать окружающее его пространство и собирать информацию в виде информационных сигналов. Сенсор имеет радиопередатчик, который позволяет передавать информационные сигналы на базовую станцию через беспроводные средства связи. Но этот радиопередатчик имеет ограниченную дальность передачи до 50 м. Этот недостаток можно компенсировать за счет использования большого количества таких сенсоров. Это достаточно легко осуществимо, так как подобное использование не является дорогостоящим благодаря маленькому размеру и невысокой цене сенсорных датчиков.
Одной из привлекательных характеристик сенсоров является то, что они могут быть очень маленькими по размеру, меньше монеты, и ожидается, что в будущем они станут еще меньше. К тому же они очень дешевые. Обычный сенсорный датчик стоит примерно 5-10 долларов.
Учитывая миниатюрные размеры и низкую себестоимость таких датчиков, они в большом количестве могут быть использованы для сбора информации и ее беспроводной передачи. Сенсорные сети могут быть использованы как в военной, так и в гражданской сферах. Впервые использование сенсорных сетей началось в военной сфере для слежения за целью в боевой обстановке. Например, тысячи сенсорных датчиков могут быть заброшены вертолетом на поле военных действий, они будут зондировать и посылать информацию о вражеских танках и солдатах непосредственно с места сражения. Это очень эффективный метод, который обеспечивает более точную информацию по сравнению с традиционными методами слежения за целью.
Начиная с 2000 года путем учреждения значительного количества грантов, в США начали поощряться исследования в области сенсорных сетей. Однако позднее, принимая во внимание значительные преимущества, сенсорные сети стали эффективно применяться и в гражданской сфере [1].

Рисунок 1. Датчики и принимаемое устройство

В англоязычной литературе беспроводную сеть называют WSN.
Беспроводные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote) – небольших автономных устройств с питанием от батарей и микрочипами с радиосвязью на частоте, например, 2,4 ГГц. Специальное программное обеспечение позволяет мотам само организовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами, расстояние до которых обычно не превышает 100 метров.
Развитие беспроводных сенсорных сетей изначально было мотивированно военными задачами, например, наблюдением за полем боя. В настоящее время беспроводные сенсорные сети используются все шире во многих областях гражданской жизнедеятельности для мониторинга, отслеживания и контроля. Вот некоторые приложения:
• Экологический мониторинг
• Мониторинг окружающей среды
• Акустическое обнаружение
• Сейсмическое обнаружение
• Военное наблюдение
• Прослеживание учетной записи
• Акустическое обнаружение движения объекта в охранных системах.
• противопожарная безопасность
• Мониторинг промышленных процессов, использование в MES системах
• Медицинский мониторинг
• Мониторинг пространств
• Мониторинг процесса
• контроль трафика
• контроль движения объектов
• Наблюдения за состоянием здоровья
При обычном применении WSN разбросана в регионе, где происходит сбор данных через сенсорные узлы.

Рисунок 2. 3-х уровневая схема сети: 1-й уровень сенсоров и шлюза, 2-й уровень сервера, 3-й уровень тонкого клиента

Каждый узел мот оснащен радиотрансивером или другим устройством беспроводной связи, небольшим микроконтроллером и источником энергии, обычно батареей. Возможно использование батарей солнечного освещения или других альтернативных источников энергии.
С точки зрения интерфейсов сенсорные узлы можно представить себе как небольшие компьютеры. Они, как правило, состоят из процессорного блока с ограниченной вычислительной мощностью и недостаточной памятью, датчика (включая конкретную схему кондиционирования), устройств коммуникации (как правило, радио или же оптический приемопередатчик) и источник питания, как правило, в виде батареи.
Базовая станция одного или нескольких компонентов WSN действует как шлюз между сенсорными узлами и конечными пользователями. Данные от отдаленных элементов передаются по сети между ближайшими от узла к узлу, по радиоканалу. В итоге с ближайшего мота пакет с данными передается на шлюз. Шлюз соединен, как правило, USB кабелем с сервером. На сервере - собранные данные обрабатываются, хранятся и могут быть доступны через WEB оболочку широкому числу пользователей.
Стоимость сенсорного узла меняется от сотни долларов до нескольких центов, в зависимости от размера сенсорной сети и ее сложности.
Особенностями WSN являются:
• Небольшие сенсорные узлы
• Ограниченные возможности для сборки и хранения данных
• Жесткие экологические условия
• Отказы узла
• Подвижность узлов
• Динамическая топология сети
• Отказы коммуникаций
• Разнородность узлов
• Крупномасштабные развертывания
• Автоматическая операция
Данные с беспроводных сенсорных сетей, как правило, сохраняются в виде цифровых данных в центральной базе станции. Есть много программ, как TosGUI MonSense, ГНС, облегчающих просмотр этих больших объемов данных. Кроме того, Открытый консорциум (OGC) указывает стандарты для совместимости и взаимодействия метаданных кодировки, что позволит в режиме реального времени любому лицу осуществлять наблюдение или контроль за беспроводной сенсорной сетью через Web Browser.

Рисунок 3. Сенсорные устройства с радио антенной

Аппаратное обеспечение беспроводного узла и протоколы сетевого взаимодействия между узлами оптимизированы по энергопотреблению для обеспечения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания. В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.
Стандарты, используемые в WSN:
• ZigBee
• Wibree
• 6lowpan
ZigBee является стандартом, предназначенным для использования таких вещей, как промышленный контроль, встроенное зондирование, сбора медицинских данных, автоматизации зданий. Развитию Zigbee способствует большой консорциум индустриальных компаний.
• WirelessHART является продолжением HART протокол для промышленной автоматизации. WirelessHART был добавлен в общей HART протокол как часть спецификации HART 7, который был утвержден фонд HART коммуникации в июне 2007 года.
• 6lowpan является заявленным стандартом для сетевой слоя, но он не был принят еще.
• ISA100 это еще одна работа в попытке войти в WSN технологию, но построено более широко включить обратную связь контроль в своей сфере. Внедрение ISA100 на основе ANSI стандартов планируется завершить к концу года 2008 года.
WirelessHART, ISA100, ZigBee, и все они основаны на тех же стандарт: IEEE 802.15.4 - 2005.

Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4

 Отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;
 Низкая стоимость комплектующих, монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;
 Быстрота и упрощенность развертывания сети;
 Надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов;
 Возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования самого объектах
 Возможность быстрого и при необходимости скрытного монтажа всей системы в целом.
Каждый сенсор размером с пивную крышку (но в будущем их размеры можно будет уменьшить в сотни раз) содержит процессор, память и радиопередатчик. Такие крышки можно разбросать на любой территории, а они сами наладят связь между собой, сформируют единую беспроводную сеть и начнут передавать данные на ближайший компьютер.
Объединенные в беспроводную сеть, сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды: движение, свет, температуру, давление, влажность и т.д. Мониторинг может осуществляться на очень большой территории, потому что сенсоры передают информацию по цепочке от соседа к соседу. Технология позволяет им годами (даже десятилетиями) работать без смены батарей. Сенсорные сети это универсальные органы чувств для компьютера, и все физические объекты в мире, оборудованные сенсорами, могут быть распознаны компьютером. В перспективе каждый из миллиардов сенсоров получит IP-адрес, и они даже могут сформировать нечто вроде Глобальной сенсорной сети. Возможности сенсорных сетей заинтересовали пока только военных и промышленность. Согласно последнему отчету компании ON World, которая специализируется на исследовании рынка сенсорных сетей, в этом году рынок переживает заметный подъем. Еще одним заметным событием в этом году стал выпуск первой в мире системы ZigBee на одной микросхеме (производства Ember) [2].

Беспроводные сенсорные сети могут быть неотъемлемой частью военного управления, связи, разведки, наблюдения и систем ориентирование (C4ISRT). Быстрое развертывание, самоорганизации и отказоустойчивость – это характеристики сенсорных сетей, которые делают их перспективным инструментом для решения поставленных задач. Поскольку сенсорные сети могу быть основаны на плотном развертывании одноразовых и дешевых узлов, то уничтожение некоторых их них во время военных действий не повлияет на военную операцию так, как уничтожение традиционных датчик. Поэтому использование сенсорных сетей лучше подходит для сражений. Перечислим еще некоторые способы применение таких сетей: мониторинг вооружения и боеприпасов дружественных сил, наблюдение за боем; ориентация на местности; оценка ущерба от битв; обнаружение ядерных, биологических и химических атак. Мониторинг дружественных силы, вооружения и боеприпасов: лидеры и командиры мо-гут постоянно контролировать состояние своих войск, состояние и наличие оборудования и боеприпасов на поле боя с помощью сенсорных сетей. К каждому транспортному средству, оборудованию и важным боеприпасам могут быть прикреплены датчики, которые сообщают их статус. Эти данные собирается вместе в ключевых узлах, и направляются руководителям. Данные также могут быть переадресованы на верхние уровни иерархии командования для объединения с данными из других частей. Наблюдения боя: критические участки, пути, маршруты и проливы могут быть быстро покрыты сенсорными сетями для изучения деятельности сил противника. Во время операций или после разработки новых планов сенсорные сети могут быть развернуты в любое время для наблюдения за боем. Разведка сил противника и местности: Сенсорные сети могут быть развернуты на критических территориях, и могут быть собраны в течении нескольких минут ценные, подробные и своевременные данные о силах противника и местности, прежде чем враг сможет их перехватить. Ориентация: сенсорные сети могут быть использованы в системах наведения интеллектуальных боеприпасов. Оценка ущерба после боя: непосредственно перед или после нападения, сенсорные сети могут быть развернуты в целевой области для сбора данных об оценке ущерба. Обнаружение ядерных, биологических и химических атак: при применении химического или биологического оружия, использование которого близко к нулю, важное значение иметь своевременное и точное определение химических агентов. Могут быть использованы сенсорные сети в качестве систем предупреждения химических или биологических атак и данные собранные в короткие сроки помогут резко уменьшить количество жертв. Также можно использовать сенсорные сети для подробной разведки, после обнаружения таких атак. Например, можно осуществлять разведку в случае радиационных заражений не подвергая людей радиации [3].

За пять лет существования было создано не-сколько типов РСП: сейсмический, сейсмоакустический, магнитный, электромагнитный, пассивный ИК и газоанализирующий. Первое боевое применение РСП получили в январе 1968 года в районе базы морской пехоты Кхе-Сань, где по предложению генерала Вестморленда в рамках программы «Даффел Баг» было использовано оборудование, предназначенное для установки в «Линии Макнамары». Именно тогда РСП впервые доказали свою высокую эффективность. После успешного отражения атак сил Северного Вьетнама начальник разведки этой базы утверждал, что большинство ударов по атакующему было нанесено по данным обнаружения РСП. Эти приборы начали столь широко применяться американцами и южно-вьетнамцами, что почти ни одна наземная операция не проводилась без их использования.
Американские специалисты считают, что батальон, оснащенный РСП, может осуществлять наблюдение за районом, по своей площади в 2 раза большим, чем район наблюдения батальона, не имеющего РСП, и их использование позволяет в 2 - 4 раза уменьшить потери. По мнению военных специалистов, системы дистанционного наблюдения на базе РСП обеспечивают экономию сил и средств, необходимых для ведения разведки и наблюдения за противником, и могут использоваться для решения следующих задач: наблюдение за районами, в которых ожидается сосредоточение войск противника; разведка наиболее вероятных маршрутов их развертывания; определение направлений и интенсивности перемещения; контроль за районами, где может осуществляться высадка воздушных и морских десантов; охрана мест дислокации своих сил, минных полей и других заграждений, подходов к мостам и водным переправам; целеуказание другим силам и средствам разведки, обладающим более широкими возможностями; обеспечение совместно с другими средствами охраны военных и важных гражданских объектов с целью воспрепятствовать проникновению на их территорию разведывательно-диверсионных групп, партизан и террористов, а также охрана районов государственных границ, линий разделения противостоящих сил и демилитаризованных зон.
В настоящее время существует более 100 типов РСП с различными принципами обнаружения целей, две трети которых разработаны в США. Эти приборы делятся на сейсмические, акустические, магнитные, электромагнитные, ИК. радиолокационные, телевизионные, тепловизионные, лазерные, фотоэлементные, балансные, балансно-емкостные, вибрационные, емкостно-вибрационные, градиометрические, контактные, обрыва провода и комбинированные (сейсмомагнитные, сейсмоэлектромагнитные, сейсмоакустические, магнитосейсмоакустические, гидроакустические), а также химической, радиационной и метеорологической разведки, обнаружения запуска двигателей. Некоторые некомбинированные РСП могут использоваться совместно с целью повышения их эффективности. Кроме того, в новейших охранных системах разведывательно-сигнализационные приборы с различным принципом обнаружения объединены в автономные или дистанционно управляемые станции.
В системах дистанционного наблюдения за полем боя применяются в основном сейсмические, магнитные, электромагнитные, акустические, сейсмоакустические и инфракрасные РСП (автономные или дистанционно управляемые), которые устанавливаются вручную, с помощью авиации или артиллерии. Данные об обнаружении целей могут передаваться по проводам или УКВ радиоканалу. Новейшие РСП снабжены встроенными УКВ передатчиками, а в некоторых могут применяться отдельно размещенные передатчики или встроенные передатчики других РСП, устанавливаемых совместно с ними. Для увеличения дальности передачи данных обнаружения по УКВ радиоканалу применяются радиоретрансляторы. Некоторые РСП снабжены фотоэлементами, включающими их только в темное время суток, а отдельные - самоликвидаторами.
РСП объединяются в системы, в состав которых, в зависимости от назначения, могут входить от одного до нескольких сотен таких приборов, радиопередатчики, радиоретрансляторы, аппаратура приема, обработки и отображения данных, а также устройства управления системой.
Сейсмические обнаруживают колебания грунта, вызываемые движением человека или транспортного средства. В качестве чувствительного элемента в них используются от одного до десяти заглубленных в грунт геофонов. Дальность обнаружения этих приборов зависит от уровня и характера фона окружающего сейсмического шума и типа грунта.
Акустические реагируют на шумы, сопровождающие деятельность людей, транспортных средств и техники. В качестве чувствительного элемента используются от одного до восьми высокочувствительных керамических микрофонов. Дальность действия зависит от уровня шумов целей и фонового акустического шума.
Магнитные реагируют на изменения местного магнитного поля Земли, вызываемые движением металлических масс. В качестве чувствительного элемента используются магнитометры, соленоиды, магнитные градиометры, магнитостробные ганиометры или длинный медный канатик, укладываемый петлями одинаковой площади. Дальность обнаружения зависит от массы железосодержащего металла в цели. Магнитные РСП позволяют определять количество проходящих целей, а некоторые образцы - и классифицировать их по этой массе.

Рисунок 4. Программное устройство, подключенное к магнитному РСП DT-561А, со снятой задней крышкой

Электромагнитные реагируют на изменение электромагнитного поля датчика под воздействием движущейся цели. Дальность обнаружения зависит от электропроводности грунта и не зависит от размера и массы цели. Электромагнитные РСП обычно используются совместно с сейсмическими, заменяя один или несколько его геофонов, а при одном геофоне - использует его передатчик.
Инфракрасные реагируют на ИК излучение цели, они могут быть пассивными или активными. В РСП поля боя используются в основном первые, а в охранных системах — вторые. Пассивные реагируют на цели, движущиеся со скоростью 0,3 - 50 км/ч. Активные срабатывают при пересечении цели ИК лучом, который располагается обычно на высоте 30 - 45 см над поверхностью земли.
Балансные реагируют на изменение давления в грунте при движении цели. Датчиком РСП является коаксиальный кабель (его емкость меняется под воз-действием динамического давления). В охранных балансных приборах применяются также датчики в виде двух шлангов, параллельно заглубленных на 40 - 45 см и заполненных смесью этилен-гликоля с водой, где находится пьезо-элементы.
Сейсмоакустические в качестве дежурного канала используют сейсмический, а акустический включается по команде для распознавания цели по сопровождающим ее движение звукам. В настоящее время именно эти РСП получили наиболее широкое распространение в ВС.

Рисунок 5. Сейсмоакустический РСП DT-570, устанавливаемый 155-мм артиллерийским снарядом

Рисунок 6. Электронно-оптическая и акустическая система Remote Sentry

В РСП обрыва провода чувствительным элементом является тонкий двухжильный провод с пониженной прочностью на разрыв (в частности, в AN/GSS-9 - провод длиной 2 250 м и массой 0,225 кг) [4].

Среди средств разведки и наблюдения за полем боя в сухопутных войсках (СВ) Великобритании важное место занимают беспилотные летательные аппараты - БЛА (UAV - Unmanned Air Vehicle). Основными их задачами являются наблюдение, обнаружение, распознавание и слежение за целями в реальном масштабе времени круглосуточно в интересах артиллерийского полка дивизии и целеуказание ракетным системам залпового огня. Кроме того, на БЛА могут возлагаться задачи по обеспечению целеуказания, осуществлению радиоэлектронной разведки и РЭП, подавлению си-стем ПВО, ведению химической, бактериологической и радиационной разведки, радиоретрансляции.

Рисунок 7. БПЛА Bae Phoenix

Летная секция - основное тактическое подразде-ление, которое включает два расчета: первый - управления и пуска, второй - поиска и спасения БЛА.
Расчет управления БЛА располагает двумя автомашинами с прицепами. Пункт управления размещается в пуленепробиваемом контейнере, установленном на 4-т автомобиле, который оборудован системами защиты от воздействия мощного электромагнитного импульса и оружия массового поражения. Являясь командным пунктом летной секции, он обеспечивает управление полетом БЛА, прием и обработку полученных с помощью аппарата разведывательных данных, выдачу целеуказания и корректировку огня подразделений артиллерийского полка, в интересах которого он используется. Для решения последней задачи система связи полетной секции сопряжена с системой управления огнем артиллерийского полка.
Пункт управления имеет три боевых поста (БП): оператора управления выполнением задачи, дешифровальщика принятых изображений и оператора управления полетом. БП оснащены одинаковыми дисплеями, на которых в различных масштабах может высвечиваться карта местности, положение на ней БЛА и целей. Пункт управления оборудован автоматизированными устройствами, облегчающими решение задач поиска, обнаружения и распознавания целей, а управление аппаратом упрощено благодаря использованию автономного или командного режима управления полетом, не требующего пилотажных навыков.
В походном положении автомобиль буксирует прицеп с агрегатом электропитания, а автомашина "Лэнд Ровер" - прицеп, где располагается терминал связи. Последний оснащен моноимпульсной РЛС с остронаправленной антенной, работающей в диапазоне 30 КГц и предназначенной для отслеживания местонахождения БЛА, обеспечения засекреченной цифровой связи управления полетом и аппаратурой в подвесном контейнере, а также для приема видеосигналов в реальном масштабе времени и данных о состоянии летательного аппарата.
РЛС обеспечивает отслеживание БЛА по азимуту и дальности, а угол места определяется с учетом дальности и высоты полета, значение которых передаются с его борта.
Расчет пуска и спасения БЛА включает три автомашины, одна из которых - 4-т с пусковой установкой, подъемным краном, пневматической и гидравлической катапультой, пусковой рампой, аппаратурой запуска двигателя, встроенным оборудованием проверки работоспособности БЛА и аппаратурой программирования полета.
С целью повышения живучести компонентов летной секции расчеты обычно рассредоточиваются на местности. Так, связной терминал может находиться на удалении до 1 км от наземного пункта управления, а пусковая установка - до 20 км.
Управление летными секциями осуществляется с КП взвода, расположенного в автомобильном контейнере, аналогичном контейнеру пусковой установки (ПУ) летной секции [5].

В этом отчете рассмотрены сенсорные сети, их особенности и применение. В частности, было рассмотрено военное применение.

1. Интернет будущего: беспроводные сенсорные сети: http://www.noviyegrani.com/
2. Беспроводные сенсорные сети: http://wiki.laser.ru/index.php/Беспроводные_распределённые_сенсорные_сети
3. I.F. Akyildiz, W. Su*, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci «Wireless sensor networks: a survey» // Computer Networks, 2001
4. Капитан 2 ранга В. Мосалёв «Системы дистанционного наблюдения за полем боя на базе разведывательно-сигнализационных приборов» http://pentagonus.ru/
5. Оперативно-тактический разведывательный БПЛА Bae Phoenix http://airspot.ru/