Краткое описание темы

Основная задача работы состоит в создании модели радиосети, предназначенной для управления освещения. Радиосеть состоит из светодиодных светильников, оснащенных радио-терминалами. По команде пользователя осуществляется дистанционное включение/выключение светильника, установку дежурного освещения, плавную регулировку яркости любого из имеющегося в сети светильника/группы светильников, запуск подготовленного светового сценария. В обратном направлении по запросу передается температура излучающей панели, источника питания, ток потребления лампы. Сообщение от пульта управления может быть широковещательным (адресуется всем активным лампам), может относиться к конкретному терминалу или к произвольной группе.

Исходные данные к проекту

·        Максимальное количество светильников в сети: 200

·        Радиус зоны покрытия: 300м (PR=80% покрытие на границе обслуживания)

·        Тип управления яркостью светильника: выбирается самостоятельно

·        Тип местности: торговое/выставочное/производственное помещение

·        Вероятность ошибки на бит Pb : 10^-5 

·        Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

1.     Постановка задачи и формулирование технических условий функционирования сети.

1.1.            Интерпретация назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь-сеть", схематизация отношений. Задачи терминального оборудования и интерфейса пользователя/объекта управления.

1.1.1.      Интерпретация назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы.

Рассмотрим радиосеть, которая предназначена для управления освещением. В качестве примера представим некоторое помещение, к примеру, картинная галерея, в которой будет использоваться дистанционное освещение. Для управления освещением пользователю необходим пульт управления (ПУ) и приложение (П).

По команде с ПУ могут осуществляться:

·        Включение/выключение отдельных групп светильников (с помощью интерфейса приложения на ПУ):

пользователь взаимодействует с ПУ и в интерфейсе приложения задаёт команду включения/выключения отдельных групп или конкретного светильника. Далее команды управления будут переданы на терминалы для их дальнейшего выполнения;

·        Регулировка яркости отдельных групп светильников:

для этого пользователь с помощью ползунка в интерфейсе приложения выбирает необходимую яркость, далее ПК формирует сообщение с командой, где будет передаваться уровень мощности относительно максимально возможного значения;

·        Установка дежурного освещения:

оно будет включаться в ночное время на территории здания и около входов в залы. Стоит отметить, что при необходимости у охранника должна быть возможность включить светильники в любом из залов музея, чтобы произвести обход всей территории;

·        Запуск подготовленных сценариев:

у каждого терминала имеется свой подготовленный сценарий взаимодействия. ПУ задает эти сценарии терминалам путём передачи служебных сообщений.

В обратном направлении от светодиодной панели по терминалам к модулю управления по запросу должны передаваться:

·        Температура излучающей панели;

·        Температура источника питания;

·        Ток потребления лампы.

          Это необходимо с целью  избежания пожара.

На рисунке 1 представлена структурная схема радиосистемы освещения картинной галереи.

Рис.1 Структурная схема радиосистемы освещения

Нам необходимо обеспечить различные режимы работы светильников. Например, включение освещения только в том зале, в котором в данный момент идет экскурсия; обеспечение атмосферы полумрака в зале для соответствия концепции картин; включение освещения одновременно в 3 залах одновременно и т.д.

1.1.2.   Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь-сеть", схематизация отношений.

Обратим внимание на отношения «пользователь – сеть». Рассматривать будем в виде нескольких уровней детализации. На первом уровне детализации будем рассматривать взаимодействие между пользователем и объектом управления. В прямом направлении пользователь отправляет команды управления, а в обратном объект управления передает данные телеметрии пользователю.

Рис. 2 Первый уровень детализации

Второй уровень детализации (Рисунок 3) показывает за счет чего пользователь имеет возможность взаимодействовать с объектом управления. Пользователь будет взаимодействовать с пультом управления, а объект управления будет взаимодействовать с терминалом.

Рис.3 Второй уровень детализации

На третьем уровне детализации (Рисунок 4) показано, что на пульте управления имеется приложение с интерфейсом, которое будет обеспечивать службу доставки и приема сообщений. Терминал же в свою очередь обладает службами управления, которые снимают данные телеметрии с датчиков, передают их на пульт управления, а также осуществляют приём команд управления.

Рис. 4 Третий уровень детализации

И последний уровень детализации (Рисунок 5).  Для того, чтобы данные могли передаваться и приниматься нам необходим радио-терминал. После принятия команд из локальной сети точка доступа формирует команды управления терминалом и передает их конкретному терминалу по радиоканалу с помощью радио-терминала. В терминале принятая команда управления разбирается программой в микроконтроллере и выполняются соответствующие действия. 

Рис.5 Четвертый уровень детализации

1.1.3.   Задачи терминального оборудования и интерфейса пользователя/объекта управления.

В нашей радиосети терминал будет выполнять такие задачи, как:

·        Сбор данных телеметрии с датчиков температуры и мощности, а также их дальнейшая передача на точку доступа. Впоследствии эти данные будут переданы на ПУ;

·        Выполнение переданных с ПУ команд управления: включения/выключения, регулировки яркости, запроса данных телеметрии;

К задачам интерфейса относится:

·        Визуализация снятых с датчиков данных телеметрии;

·        Предоставление возможности выбора команд управления, для их дальнейшей передачи.

1.2.          Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, выявление ключевых параметров сеанса. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п. Формализация требований к качеству и условиям предоставления услуги.

1.2.1.   Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, выявление ключевых параметров сеанса.

Рассмотрим сеанс предоставления телекоммуникационной услуги. Каждый терминал будет иметь свой уникальный номер (УН). Это сделано с той целью, чтобы ПУ мог различать светильники и обращаться к конкретному устройству. Аналогично и с командами, которые передаются на терминалы: каждая команда, которую должен выполнить конкретный светильник, будет иметь свой уникальный номер команд (УНК). Отметим, что в составе ПУ имеется ПК, в памяти которого хранятся данные о соответствии УН и УНК. Работа системы будет заключаться в следующем. Сразу после включения источника питания терминалы регистрируются в сети, отправляя свои УН на ПУ. Далее на ПУ будет передана информация о температуре и мощности излучающей панели. После этого терминалы будут переведены в режим ожидания команд от ПУ. После отправки команды терминал сверяет УН с УНК и, если они совпадают, выполняет ее. Это касаемо команд включения/выключения светильников. Теперь поговорим про изменение яркости и запроса информации о температуре и мощности. Если нам необходимо изменить яркость светильника, то пользователь меняет ползунок в интерфейсе приложения на ПУ, за счет чего устройство регулировки мощности изменяет яркость светильника. Когда нам необходимо получить информацию о температуре и мощности, устройство будет собирать информацию с датчиков и передавать ее на ПУ.

1.2.2.   Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п.

Информационный трафик имеет двунаправленный характер. В прямом направлении с ПУ на терминалы через ТД передаются сообщения, предназначенные для запроса активности и команды управления. Для этого будет более чем достаточно скорости 64 кбит/с. В обратном направлении передаются данные с датчиков терминалов. В этом случае телеметрия также передается со скоростью 64 кбит/с.

1.2.3.   Формализация требований к качеству и условиям предоставления услуги.

Когда происходит передача команд управления, нам необходимо достичь ее безошибочной работы. В случае, если команды управления были переданы с ошибками, это может повлечь за собой ряд проблем и в таком случае команды отправляются повторно.

Когда происходит передача телеметрии необходимо также достичь работы без ошибок. Ошибочная передача телеметрии может повлечь за собой пожар ввиду того, что пользователь не получит данные с датчиков и не сможет предупредить возгорание.

1.3.          Обоснованный выбор архитектуры радиосети. Разработка многозвеньевой модели сети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Проработка сценария выполнения телекоммуникационной задачи с использованием многозвеньевой модели взаимодействия элементов сети.

1.3.1.   Обоснованный выбор архитектуры радиосети.

В данной сети присутствуют три главных компонента: пульт управления (ПУ), точка доступа (ТД) и терминал (Т). Телекоммуникационная услуга состоит в передаче команд управления на терминал через ТД, поэтому архитектура сети (Рисунок 6) будет выглядеть следующим образом:

Рис.6 Архитектура разрабатываемой сети связи

1.3.2.   Разработка многозвеньевой модели сети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Проработка сценария выполнения телекоммуникационной задачи с использованием многозвеньевой модели взаимодействия элементов сети.

Телекоммуникационная услуга состоит в передачи команд управления от ПУ через ТД на терминал. Помимо этого, в данной сети в обратном направлении передаются данные телеметрии.

Как только источник питания будет включен, ПУ начнет опрашивать ТД о работоспособности светильников. После чего терминал передает на ТД данные с датчиков телеметрии и уведомление о готовности, что в свою очередь с ТД передается на ПУ. Далее интерфейс приложения на ПУ обновляется с оконечными данными о состоянии светильников, и в конечном итоге пользователь может подавать команды управления.

Рис. 7 Трехзвеньевая схема взаимодействия элементов сети

Команды управления передаются на Т через ТД. Микроконтроллер просматривает полученные сообщения и выполняет команду в зависимости от ее УНК. После этого Т через ТД передает отчет об успешном приеме на ПУ, либо данные телеметрии (если они были запрошены).

1.4.          Формулирование и пояснений стратегии поведения сетевых объектов, введенных в п.1.3. Обоснование требований к функциональному составу сетевого терминала и выделенного (командного) узла.

1.4.1.   Стратегия поведения и функциональный состав пульта управления.

Стратегия поведения ПУ:

1.     Отправка запроса о работоспособности терминалов;

2.     Получение данных с датчиков о состоянии терминалов и их визуализации в интерфейсе приложения;

3.     В случае отрицательного ответа о работоспособности терминала отправка повторного запроса;

4.     Сохранение в буфер данных телеметрии, собранных при предыдущей активности;

5.     Проверка соответствия УН с УНК;

6.     С помощью интерфейса приложения на ПУ пользователь может выбрать конкретный терминал и передать ему команду;

7.     В случае необходимости повышения/понижения яркости светильника пользователь задает необходимые команды на ПУ и отправляет эти команды на ТД.

Рис. 8 Функциональная схема ПУ

1.4.2.   Стратегия поведения и функциональный состав точки доступа.

Стратегия поведения ТД:

1.     Отправка ШВС;

2.     Проверка команд от ПУ на наличие ошибок;

3.     В случае неработоспособности терминала передавать данные о неисправности на ПУ;

4.     Прием и передача данных телеметрии при включении;

5.     Прием и передача данных телеметрии при запросе с ПУ;

6.     Хранение данных телеметрии в буфере, после их передачи без ошибок - удалить;

7.     При ошибке передачи запросить повторную передачу.

Рис. 9 Функциональная схема ТД

1.4.3.   Стратегия поведения и функциональный состав терминала.

Стратегия поведения терминала:

1.     Терминал запрашивает данные телеметрии с датчиков;

2.     В случае перегрузки памяти, которая необходима для хранения данных, терминал может удалить наиболее старые показатели;

3.     ТД передает ШВС на терминал, в связи с чем терминал создает запрос на передачу данных;

4.     Передает данные телеметрии;

5.     В случае необходимости повторной передачи – выполняет запрос;

6.     При безошибочной передаче данных терминал передает сообщение о завершении сеанса.

Рис. 10 Функциональная схема терминала

Список используемых источников: 

1.      Д.Р.  Золотов - КП " Радиосеть управления освещением ". Часть 1. Исправленная.  http://omoled.ru/publications/view/1181

2.      А.В. Масленков – КП «Радиосеть управления освещением». Часть 1. Исправленная. http://omoled.ru/publications/view/1275

3.   А.В. Бакке – лекции по курсу «Системы и сети связи с подвижными объектами»

4.   С. Лашко - КП «Радиосеть управления освещением». Часть 1 (Доработанная).  http://omoled.ru/publications/view/319