МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.Ф. УТКИНА

                                                                   Кафедра ТОР



                                                                КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
                                                "Интеллектуальная радиосеть "Умный дом" " 






                                                                                                                                                                                               Выполнила:
                                                                                                                                                                                            Студентка гр. 619
                                                                                                                                                                                             Питерякова А.И.
                                                                                                                                                                                               Проверил:
                                                                                                                                                                                                Бакке А.В.








Краткое описание темы 
Компактная интеллектуальная радиосеть предназначается для объединения в единую сеть различных электронных устройств с целью удаленного управления или сбора данных (технология «умный дом»). Проектируемая сеть должна предоставлять пользователю возможность получать информацию с каждого сетевого объекта, а также предоставлять доступ к удаленному управлению терминалами (если это предусматривается условиями функционирования соответствующего электронного устройства).

Исходные данные к проекту 
 Максимальное количество терминалов в сети: 16 
Радиус зоны обслуживания: 150 м (PR=95% покрытие на границе обслуживания)  Максимальная скорость передачи информационных данных: 96 Кбит/с 
Тип местности: помещения, здания 
Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 10-7 
Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 0,02 Вт 
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. 

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

 «Умный дом» — это буквальный перевод английского словосочетания «smart house». Под ним понимают способ автоматизации домашнего быта путем объединения всех электроприборов и бытовой техники в доме в одну единую экосистему. Как правило, такая экосистема имеет свой «мозг» — то есть фирменную программу, устройство или сервис, с которого осуществляется управление.  
Ее задача – обеспечивать безопасность и комфорт пользователей, контролировать расход ресурсов, уведомлять о текущей обстановке в жилье.   Smart house включает в себя три основных элемента.
В состав входит следующее оборудование: 
Контроллер. Это устройство, соединяющее все элементы умного дома в единое целое, оценивающее их работу и условия окружающей среды и в зависимости от такой оценки управляющее домом. Иными словами, это его «мозг». 
 Датчики. Эти устройства считывают информацию из окружающей среды и следят за ее изменением. От сенсоров сигналы поступают на контроллер, который их обрабатывает. 
Актуаторы. Актуаторами называют устройства, непосредственно исполняющие команды, поступающие с контроллера. В эту категорию входят исполнительные устройства, которые выполняют команды системы. Это механические приводы, выключатели, пожарные сирены, клапаны на трубах и другие приборы. 
 Для отправки сигналов от датчиков движения и иных сенсоров до контроллера чаще всего применяется связь по радиоканалу. В домашних комплексах распространены такие стандарты, как 869 МГц, 868 МГц и 2,4 ГГц. Кроме обыкновенной радиосвязи применяется передача данных по протоколам Wi-Fi и Bluetooth. Передача сведений на пульт охраны или владельцу здания осуществляется при помощи интернет-соединения или мобильной связи. 
  Общую концепцию сети можно пронаблюдать на рис.1.


                                                                             Рисунок.1. Общая концепция сети.



У нас есть пользователь, который может взаимодействовать с терминалами(датчики/сенсоры/исполнительные устройства), с помощью точки доступа, которая отвечает за организацию  канала связи,  и некоторого пользовательского устройства. 
Пользовательское устройство представляет из себя устройство  с помощью которого  пользователь может взаимодействовать с терминалами.Это может быть смартфон, планшет, компьютер. Точка доступа в данной сети отвечает за работу всей системы в целом. Она выполняет сбор и обработку информации с подключенных датчиков,а также прием и обработку полученных команд от пользователя(пользовательского устройства).  
 
Самым главным преимуществом «интеллектуального» дома является дистанционное наблюдение и контроль над жильем. Система защищает от вторжения воров. Также это хороший способ предотвращения аварийных ситуаций. В критической ситуации можно перекрыть воду, отключить электропитание или передать сигнал о пожаре. Все уведомления и предупреждения приходят в виде сообщений владельцу здания. 

Некоторые данные были взяты из статьи http://omoled.ru/publications/view/1205

В данной работе я использую такие виды датчиков, как: датчик света, датчик замков, датчик температуры и датчик электропитания.



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

Отношение “пользователь-сеть” рассмотрим в виде нескольких уровней детализации. 
На первом уровне детализации (рис.2) будет показано взаимодействие пользователя и объекта управления. (т.е. датчики). В зависимости от объекта управления пользователь может получать нужную ему информацию (т.е. информацию с различных датчиков: освещения, температуры, влажности и т.д.).



                                                                                         Рисунок 2. Первый уровень детализации.



Второй уровень детализации (рис.3.) будет включать в себя какое-либо пользовательское устройство (телефон, ноутбук, планшет и т.д.). Это устройство необходимо нам для взаимодействия пользователя с терминалом.


                                                                                            Рисунок 3. Второй уровень детализации.



В третьем же уровне детализации (рис.4.) пользовательское устройство будет включать в себя приложение, которое обеспечивает службу доставки и приема сообщения. Терминал, в свою очередь, включает в себя службы управления, которые занимаются сбором данных и осуществляют прием команд. 

                                                                                                 Рисунок.4. Третий уровень детализации.



На последнем, в нашем случае четвертом, уровне детализации (рис.5.)  осуществляется организация радиоканала, благодаря которому происходит взаимодействие служб пользовательского устройства и служб терминала. Для того, чтобы данные могли передаваться и приниматься, мы используем Wi-fi или радиомодуль. Также у нас есть хранилище данных, куда скидываются все запросы от пользователя и выполненные команды от T. То есть по факту, ТД будет работать не на прямую с пользователем, а именно с хранилищем. Его использование, я считаю, будет очень практичным в данной системе, т.к. все данные будут хранятся в одном месте (облаке) , куда пользователь может зайти в любое время и посмотреть всю необходимую  ему информацию.


                                                                               Рисунок.5. Четвертый уровень детализации.


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

Задачей терминального оборудования будет являться сбор данных с датчиков и передача их на точку доступа. Далее данные с точки доступа будут отправляться на пользовательское устройство.  Задачей интерфейса (рис.6.)  взаимодействия пользователя с объектом управления является приём и вывод на экран информации с датчиков, управление различными системами (освещение, температура, замки и т.д.), а также выбор нужного помещения. 



                                                                                                                   Рисунок.6. Интерфейс пользователя.


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. 

Пользователь с помощью пользовательского устройства с выходом в Internet или подключением к Wi-fi (в зависимости от нахождения пользователя вне или внутри дома, где располагается данная сеть) заходит в приложение "Умный дом", где выбирает функцию, которая ему необходима. В приложении формируется сообщение, которое по  сети Internet передаются на точку доступа. В  точке доступа  службы управления  фиксируют сообщение, обрабатывают  и создают нужную  команду. Далее происходит передача команды конкретному терминалу. В точке доступа принятое сообщение разбирается службами управления и выполняется. После этого с терминала на пользовательское устройство приходит уведомление о завершении команды. Также точка доступа сама в определенное время может отправлять запрос терминалам на передачу информации. Все данные о состояниях терминалов будут находится в хранилище. 

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. В обратном направлении передаются данные с датчиков терминалов. В данной сети большую часть времени канал передачи будет свободен, т.к. объем передаваемых данных мал. Из этого можно сделать вывод, что скорость передачи данных не велика.  
Информация  была взята у http://omoled.ru/publications/view/1409.


1.3. Обоснованный выбор предполагаемой 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. 

Основными сетевыми элементами являются терминалы (Т), точки доступа (ТД) и пользовательское устройство. Основная задача сети: передача команд управления на терминалы через точку доступа, поэтому архитектуру сети выберем типа “звезда”. (рис.7.). Терминалы находятся в неподвижном состоянии и не обмениваются между собой никакой информацией.




                                                                                    Рисунок.7. Архитектура разрабатываемой сети.


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

В данной сети присутствуют три главных элемента, как говорилось ранее. Соответственно разработаем трехзвеньевую модель взаимодействия элементов сети (рис. 8). 


                                                                Рисунок.8. Трехзвеньевая схема взаимодействия элементов сети. 
Пользователь запускает приложение на ПУ, которое запрашивает данные с точки доступа, точка доступа опрашивает каждый объект системы (Т) на предмет готовности к работе и получает данные с датчиков. На основании этих данных точка доступа отправляет пользователю уведомление о готовности к работе и состоянии всех датчиков. Пользователь с помощью интерфейса выбирает нужные ему действия. Приложение и точка доступа формируют команды управления, которые посылаются терминалу нужного объекта, далее происходит  исполнение заданных действий и отправление на точку доступа отчет о выполнении команды. Точка доступа отправляет отчет пользователю на его приложение.
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 точки доступа. 
  • Передача широковещательных сообщений
  • Прием и опрос терминалов на передачу данных о телеметрии.
  • Прием/передача команд управления. 


                                            Рисунок.9. Функциональная схема ТД.
Точка доступа вещает широковещательные сообщения. Терминалы, в свою очередь, отправляют запрос на ТД о регистрации в сети. (По необходимости) и отвечают ТД о готовности к принятию команды. После получения данного сообщения, ТД направляет определенную команду конкретному терминалу и ждет от него ответа, для того, чтобы отправить его пользователю.
1.4.2. Стратегия поведения и функциональный состав терминала. 

  • Синхронизация с ТД.
  • Прием и обработка запросов от ТД.
  • Выполнение команд управления.
  • Передача измеряемых данных на ТД.



 
                                                                                                                                Рисунок.10. Функциональная схема терминала.


 Если Т были отключены, то при их включении производится поиск BCCH сообщений. Как только BCCH сообщение найдено, терминал выполняет регистрацию в сети (При необходимости) и находится в режиме ожидания команд от ТД. После получения команд терминал переходит к их выполнению. И после направляет сообщение о выполнении обратно на ТД.
1.4.3. Стратегия поведения и функциональный состав пользовательского устройства. 

  • Отправка запроса о работоспособности терминалов.
  • Получение данных о работе с датчиков.
  • Выбор и передача команд конкретному терминалу. 





                     Рисунок. 11. Функциональная схема ПУ.
ПУ выполняет прием и отправку команд с/на ТД. Предоставляет интерфейс пользователю.

Библиографический список:
 
1.     Бакке А.В. – лекции по курсу "Системы и сети связи с подвижными объектами" 
2. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. - "Сети и системы радиодоступа".
3. http://omoled.ru/publications/view/1409
4. http://omoled.ru/publications/view/1205
5. http://omoled.ru/publications/view/1370