Радиосеть управления освещением. Часть 2

В рамках данной статьи рассмотрены следующие пункты задания к курсовой работе:

2. Расчетная часть: проектирование радиосети

2.1. Проработка функционального состава сетевого терминала (выделенного узла сети), отражающего выполнение возлагаемых на объект задач.

2.2. Пояснение концепции решения следующих задач:

- плавная регулировка яркости любого из имеющегося в сети светильника/группы светильников, запуск подготовленного светового сценария;

- идентификация светильников и получение от них параметров текущего состояния и телеметрических данных с использованием ключевых звеньев доставки сообщений, пояснение функций каждого звена. Обоснование требуемой архитектуры радиосети.

2.3. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность и предполагаемый объем сообщений, иные предполагаемые свойства трафика.

2.4. Обоснование иерархической модели сети - как транспортной сети доставки информационных и служебных сообщений. Выделение ключевых слоев модели (не менее трех), пояснение назначения протоколов об- мена всех уровнях модели. Выделение радиоинтерфейса и формулирование задач по передаче/приему сообщений службами различных уровней.

2.5. Стратегии поведения терминалов и выделенных узлов в радиосети. Анализ сценария взаимодействия сетевых объектов (выделенных узлов, терминалов) в рамках оказания услуг на прикладном (верхнем) уровне модели; задачи служб и характеристика сообщений прикладного уровня. Пояснение сеанса соединения, характеристика этапов "жизненного цикла" сеанса. Выделение активного и пассивного состояний сетевых объектов и анализ задач, выполняемых в этих состояниях.

2.6. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения. Построение диаграмм состояний сетевых объектов, отражающих основные элементы разрабатываемого сценария.

2.7. Разработка протокола передачи сообщений канального уровня (L2).

2.7.1. Задачи служб канального уровня, характеристика видов сообщений: адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа, служебное/информационное и т.п. Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов служебных и информационных сообщений. Способы оценки целостности принимаемых сообщений.

2.7.2. Обоснование способа реализации физических каналов связи. Формулирование требований к алгоритму множественного доступа к физическим каналам связи, обоснование предполагаемой структуры канального ресурса (на основании п.2.2-2.6), реализующего двустороннего обмена сообщениями. Анализ предлагаемого алгоритма множественного доступа на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

2.7.3. Выделение типов и характеристика логических каналов (ЛКС) L2 уровня. Построение временной диаграммы, отражающей двустороннюю доставку всех видов сообщений L2 уровня: пояснение очередности и интенсивности передачи сообщений различных ЛКС (с учетом п.2.3). Проработка шкалы времени диаграммы обмена сообщениями.

2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня. 2.7.5. Расчет пропускной способности ЛКС в обоих направлениях. Сведение основных свойств ЛКС в таблицу

Часть 2. Расчетная часть: проектирование радиосети.

На терминал возлагаются следующие функции:

1. Прием радиосигналов, содержащих служебные сообщения.

2. Включение/выключение освещения

3. Регулировка яркости свечения светодиодной панели

4. Передача на точку доступа сообщений, содержащих телеметрию

2.2. Пояснение концепции решения следующих задач:

Плавная регулировка яркости осуществляется передачей команды с пульта управления, в одном из полей которой находится восьмибитное значение скавжности, которое будет записано в регистр управления ШИМ на микроконтроллере. Так же в команде есть поле, содержащее информацию о том, какой из заранее подготовленных сценариев необходимо сейчас включить. Логика работы каждого сценария находится в памяти микроконтроллера, дополнительно в этом поле находится информация о необходимости включить дежурное освещение.

Чтобы активировать группу светильников необходимо в приложении создать данную группу (выбрать какие светильник необходимо объединить), выбрать необходимое действие, после чего точка доступа начнет передавать команды управления последовательно каждому светильнику с достаточно большой скоростью.

Идентификация светильников происходит следующем образом:

Точка доступа отправляет широковещательное сообщение всем терминалам, находящимся в зоне радиопокрытия сети, в котором содержится адрес сети и список идентифицированных терминалов, причем всегда на первом месте (списка идентифицированных терминалов) находится адрес светильника, которому будет передана команда управления.

После приема широковещательного сообщения, терминал начинает работу по одному из двух алгоритмов:

1) Если в широковещательном сообщении был адрес данного терминала и данный адрес был не первым, то он «засыпает» на определенное время (до следующего BCCH)

2) Если в ВССН его адрес был на первом месте, то терминал переходит в режим ожидания команды.

3) Если в ВССН не было его адреса, то терминал в i-тый интервал времени (отсчет интервалов времени ведется после приема ВССН; i>0, i<11) отправляет свой адрес, после чего он «засыпает» на определенное время (до следующего BCCH)

Получение телеметрии:

Терминал отправляет данные телеметрии в ответ на каждую команду, поступившую от точки доступа. Данная процедура также является подтверждением приема и исполнения принятой команды. После получения команды микроконтроллер опрашивает соответствующие датчики и отправляет ответ на запрос, содержащий информацию о токе и температурах. В случае, когда необходимо получить телеметрию без изменения параметров светильника, на терминал отправляется команда, где в соответствующих полях записано определенное значение.

В прямом направлении (от точки доступа к терминалу) передаются сообщения управления терминалом и широковещательное сообщение.

В обратном направлении: сообщения подтверждения приема (сообщения телеметрии) и сообщения для регистрации в сети.

2.4. Обоснование иерархической модели сети - как транспортной сети доставки информационных и служебных сообщений. Выделение ключевых слоев модели (не менее трех), пояснение назначения протоколов обмена всех уровнях модели. Выделение радиоинтерфейса и формулирование задач по передаче/приему сообщений службами различных уровней.

Рисунок 1 Иерархическая модель сети.

Пользователь, взаимодействуя с приложением на пульте управления, управляет службами функциями терминала за выполнение которых отвечают службы. L6 уровень (уровень представления) обеспечивает преобразование протоколов. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений.

Уровень сценариев взаимодействия (L3) управляет взаимодействием сетевых объектов (точки доступа и терминалов). В зависимости от того, какого рода сообщение требуется передать по сети и, соответственно, какого рода логический канал организовать для его передачи, уровень L3 реализует один из заложенных в нем алгоритмов, по которому должны взаимодействовать сетевые объекты. В соответствии с требованиями текущего сеанса связи, поступающими с высших уровней, активизируется одна из служб.

На физический уровне L1, отвечающем за взаимодействие со средой передачи, реализуются непосредственно физические каналы связи точки доступа и терминалов, осуществляется помехоустойчивое кодирование/декодирование, перемежение/деперемежение а также, синхронизацию.

Энергосбережение достигается путем перевода терминалов в спящий режим на определенные промежутки времени (пункт 2.2)

Диаграмма состояний терминала:

Рисунок 2. Диаграмма состояний терминала.

После включения терминала, он начинает искать ВССН в котором содержится адрес сети и список зарегистрированных терминалов. На первом месте списка находится адрес терминала, которому необходимо выполнить команду. Если в списке нет адреса данного терминала, то терминал по каналу RACH отправляет свой адрес, после чего засыпает до следующего ВССН сообщения. В случае когда в списке есть адрес терминала (не на первом месте) то он сразу переходит в спящий режим до следующего ВССН сообщения. Если адрес оказался на первом месте, то терминал по каналу ССН принимает команду, выполняет ее и в ответ отправляет данные с телеметрией по каналу ТСН.

Диаграмма состояний точки доступа:

Рисунок 3. Диаграмма состояний точки доступа.

После включения точки доступа она отправляет широковещательное сообщение. Далее точка доступа ожидает адреса терминалов, которые хотят зарегистрироваться в сети и при успешном приеме добавляет их в список идентифицированных. После этого отправляет команду терминалу, адрес которого находился в ВССН и в ответ на команду ожидает данные телеметрии. Далее цикл повторяется.

2.7. Разработка протокола передачи сообщений канального уровня (L2).

Задачей службы передачи команд управления является формирование и трансляция сообщений, содержащих информацию о значении яркости, которую нужно установить, о переводе в одно из состояний (включен или выключен), терминалу с заданным адресом.

Служба приема команд управления осуществляет прием сообщений и последующее их декодирование для включения\выключения панели и настойки яркости свечения.

Служба запроса телеметрии формирует и передает команду запроса значений температур и тока с конкретного терминала. Данная служба используется в случае, когда необходимо получить данные с датчиков не изменяя параметров светильников, для этого в соответствующие поля команды записывается максимальное значение, что будет означать оставить значение яркости, сценарий освещения, режим работы без изменений и запустить службу передачи телеметрии.

Служба передачи телеметрии осуществляет сбор информации с датчиков (тока и температуры) формирование сообщения и трансляцию его на точку доступа, так же данная служба используется для формирования сообщения подтверждения приема любой команды, т.е. телеметрия отправляется ответом на каждую принятую команду терминалом.

Служба приема телеметрии осуществляет прием радиосигнала с терминала, обработку и сохранение значений на удаленном сервере. Принятая телеметрия является подтверждением приема команды терминалом, в случае отсутствия ответного сообщения от терминала, он помечается как неактивный и убирается из списка идентифицированных терминалов.

В сообщения добавляется CRC-код для проверки целостности сообщения.

Инициатором соединения всегда будет выступать точка доступа, следовательно, она выбирает какому терминалу предоставить физический канал в определенный момент времени (все обращения точки доступа являются адресными; на каждое обращение точки доступа, терминал с заданным адресом должен послать ответ). Будет использоваться временное разделение каналов, это означает, что в конкретный момент времени, только один из терминалов будет обладать полным доступом к физической среде. Благодаря такой организации доступа к физическому каналу проблем с коллизией не возникнет (кроме моментов регистрации в сети, когда идет борьба за канал).

В соответствии с концепцией радиосети, на логическом уровне можно выделить следующие каналы передачи сообщений:

1. Канал передачи команд (CCH)

2. Канал передачи информации (TCH)

3. Широковещательный канал (ВССН)

4. Канал случайного доступа (RACH)

Канал передачи команд: предназначен для управления освещением (включение\выключение светильника, установка яркости); запрос телеметрии.

Канал передачи информации – по данному логическому каналу передается подтверждение приема и исполнения команды. Подтверждением является передача телеметрии (температура и значение тока) от терминала к точке доступа.

Широковещательный канал передает адрес точки доступа, адреса зарегистрированных светильников. Также в нем содержится информация о том, какой терминал должен выполнить последующую команду.

Канал случайного доступа предназначен для регистрации в сети. По нему терминал в определенный момент времени передает свой адрес.

Рисунок 4. Временная диаграмма.

На промежутке времени t1 – t2 точка доступа рассылает широковещательное сообщениеBCCH, содержащее ее ID, список активных терминалов и терминал которому адресована команда. Под канал случайного доступа RACH выделен промежуток времени t2 – t4. Данный промежуток поделен на 10 равных интервалов времени. Узел сети, вступающий в борьбу за канал, случайным образом загадывает число N от 1 до 10, затем отсчитывает N временных интервалов (один временной интервал равен t3-t2) и отправляет свой адрес. В промежуток с t4 до t5 точка доступа отправляет терминалу команду управления по каналу ССН. В промежуток времени t5-t6 получает ответ на команду в виде сообщения, содержащего телеметрию. Далее цикл повторяется.

Рисунок 5. Диаграмма двустороннего обмена сообщениями L2 уровня.

2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Канал передачи команд:

Рисунок 6. Канал передачи команд.

vbr – значение яркости -8 бит

ps – установка сценария (или дежурного освещения) -4 бита

CRC -16 бит

Установка сценария предполагает 14 различных сценариев, заложенных в память микроконтроллера (например, такие как: мигание, синусоидальное изменение яркости и др.) и установку дежурного освещения.

Максимальные значения в полях vbr, ps означают то, что соответствующие им параметры терминала остаются без изменений.

Длина всего сообщения: 28 бит

2. Канал передачи информации: