В рамках данного курсового проектирования предполагается разработать систему, которая будет обеспечивать беспроводной сбор данных о состоянии спортсменов и фиксацию факта их прохождения через контрольные точки.  

Основные требования к системе и особенности:

1. Минимально возможная мощность излучения радиомаяка;

2. В зоне действия точки сбора могут находиться несколько объектов;

3. Минимальный диапазон используемых частот.

Разрабатываемую систему планируется использовать в дисциплине велокросс. В рамках этой дисциплины 30 участников на специально подготовленных велосипедах должны преодолеть расстояние в 150 километров по пересеченной местности. Через каждые 10 километров вдоль трассы будут располагаться ТС.

Основными компонентами системы являются:

1. Радиомаяк (РМ);

2. Точка сбора информации (ТС);

3. Центр сбора и обработки информации (ЦСИ).

Радиомаяки (РМ) будут представлять собой портативные устройства, закрепленные на теле у спортсменов. Основной задачей РМ является сбор телеметрических данных и передача этих данных. Поскольку в зоне действия ТС могут одновременно находиться и передавать данные несколько радиомаяков, то встает проблема коллизий, т.е. одновременного прихода на приемник ТС нескольких сигналов запроса на предоставление канала передачи данных. В связи с этим ТС не узнает, какие радиомаяки делают запросы и не сможет обслужить их. Решением этой проблемы является использование сетевого протокола CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий[2,3].

Радиомаяк должен быть оснащен несколькими microUSB портами, для подключения датчиков телеметрии. Также в РМ должно быть реализовано устройство мультиплексирования, осуществляющего поочередную коммутацию всех  microUSB портов с памятью данных. Сигналы с датчиков телеметрии должны преобразовываться в цифровую форму и затем записываться в регистр данных (память данных). Питание РМ будет осуществляться при помощи аккумулятора.

Каждый РМ должен обладать уникальным идентификатором IDРМ, который используется для доступа в сеть. Перед началом соревнований в базу данных ЦСИ заносятся уникальные номера всех радиомаяков. Помимо использующихся в соревнованиях, предполагается наличие нескольких запасных РМ, ID которых также должны быть занесены в базу данных. В ЦСИ каждому IDРМ ставится в соответствие уникальный порядковый номер участника соревнования. Все эти данные передаются и сохраняются в регистрах идентификаторов ТС. 

Радиомаяки проходят процедуру регистрации только один раз на старте соревнований. Это необходимо для того, чтобы в регистрах идентификаторов ТС и ЦСИ было указано, какие из  идентификаторов будут активны в процессе велокросса, а какие нет. Если кто-то из участников соревнования повредил свой РМ и ему необходимо установить другой, то новый РМ также проходит процедуру регистрации в сети. Помимо хранения уникального идентификатора, РМ также должен хранить идентификатор сети IDС. Идентификатор сети необходим для того, чтобы радиомаяк, попав в зону обслуживания точки сбора, смог определить имеет ли он право на передачу данных в этой сети.

Для того чтобы радиомаяк смог определить, что он находится в зоне обслуживания ТС и соответственно осуществить передачу данных, в нем должна быть реализована схема прослушивания несущей волны. Эта схема также осуществляет контроль уровня принимаемой несущей. С помощью нее РМ определяет на каком расстоянии от ТС он находится и с какого момента он может посылать запрос на ТС о предоставлении ему канала для передачи данных. Радиус зоны действия РМ составляет 70 метров. Приняв сигнал, несущий информацию о сети, в радиусе своей зоны  действия, РМ незамедлительно начинает передачу данных в соответствии с протоколом CSMA/CA. При использовании данного протокола, радиомаяк, выигравший борьбу за канал, полностью передает все свои накопленные данные. После того как передача данных осуществилась, канал предоставляется другому РМ, выигравшему борьбу на втором этапе, и т.д. Таким образом, можно говорить о том, что осуществляется множественный доступ на основе временного разделения канала связи (TDMA), т.к. канал передачи данных предоставляется поочередно всем РМ. После того как РМ передаст накопленные данные, он должен перейти в  состояние "сон", т.е. в режим минимального потребления энергии. При этом из его регистра удаляются все ранее записанные данные. Состояние «сон» подразумевает, что радиомаяк будет полностью отключен на определенное время (таймаут). По истечении таймаута, РМ должен включиться и осуществлять поиск широковещательной несущей.

ТС являются, по сути, контрольными точками. Основная задача точки сбора – получение данных от всех радиомаяков, находящихся в зоне ее обслуживания, и сохранение этих данных в своем регистре. Точка сбора должна быть способна одновременно обслуживать  всех участников соревнования. Полученные с радиомаяков телеметрические данные ТС должна передать в центр сбора и обработки информации. Передача данных от ТС к ЦСИ и в обратном направлении будет осуществляться с использованием GPRS модемов. GPRS-модемы регистрируются в сотовой сети оператора GSM-связи, поддерживающего услугу пакетной передачи данных GPRS. С помощью этой услуги каждый модем получает доступ в Интернет. Диспетчерский компьютер в ЦСИ также имеет доступ в Интернет, при этом неважно, по какой технологии, — главное, чтобы у него был постоянный адрес.

 


Рис.1. Структурная схема системы беспроводного сбора данных с подвижных объектов.

На каждой ТС должна быть реализована подсистема сигнализации.  С помощью сообщений этой подсистемы, ТС будет оповещать ЦСИ о различных неполадках в системе, например, если какой-нибудь из РМ, зарегистрированных в сети, по каким-то причинам не смог передать собранные телеметрические данные или, если наблюдаются нарушения режимов работы самой ТС.

Т.к. мощность излучения ТС является ограниченной и жестко регламентируемой, для используемого диапазона частот, то  зоной радиопокрытия каждой точки сбора будет являться территория в радиусе трех километров. При этом необходимо решить проблему перекрытия зон обслуживания ТС, т.к. при эксплуатации системы могут возникнуть требования по увеличению мощности излучения. Решением этой проблемы является разнесение двух соседних точек сбора по  используемому значению частоты несущего колебания. Значение частоты может повторяться через каждую вторую ТС. 


Рис. 2. Разнесение зон обслуживания ТС по частотному диапазону.

Также очень важно предусмотреть возможность функционирования нескольких подобным систем на одной территории. В этом случае целесообразно будет использование каждой системы в определенном диапазоне частот.

Активная ТС через определенные промежутки времени должна транслировать в эфир информацию о сети. При этом нет необходимости в том, чтобы все ТС постоянно функционировали. После того как точка сбора передаст в ЦСИ собранные с радиомаяков данные она может отключиться.  За включение и отключение ТС,  а также устранение различных неполадок, возникших в системе, отвечает подсистема управления точками сбора, реализованная в ЦСИ.

Для того чтобы подсистемы сигнализации и управления ТС функционировали, необходимо чтобы все ТС, также как и ЦСИ, имели фиксированные адреса. ЦСИ не сможет включать/отключать ТС и исправлять неполадки в системе, если не будет знать адрес необходимой ТС. Соответственно ТС должна знать, по какому адресу ей отправлять данные телеметрии и сообщения подсистемы сигнализации. В связи с этим каждая ТС должна хранить адрес ЦСИ, а в ЦСИ должна быть реализована таблица маршрутизации. ТС не является инициатором передачи накопленных данных. Она осуществляет это при получении соответствующего запроса с ЦСИ, в виде определенного сообщения подсистемы управления. При необходимости ЦСИ может неоднократно посылать запрос на необходимую ТС о повторной передаче, хранящейся в ее регистре, информации. Поэтому данные в регистрах ТС хранятся на протяжении всей гонки. 

Поскольку связь ЦСИ и ТС осуществляется с использованием сети интернет, то обмен данными и служебными сообщениями может происходить в любое время. При этом не требуется какого-либо разделения канала связи.


Рис.3. Функциональная схема разрабатываемой системы

В ЦСИ, на основании получаемых данных от ТС, осуществляется контроль за физическим состоянием спортсменов и пройденному ими пути. В качестве дополнительных услуг, информация о статусе спортсменов (пройденное расстояние, лидеры, скорость движения) будет размещаться на официальном сайте соревнований. Информация будет обновляться по мере прохождения спортсменами контрольных точек (ТС).


Список литературы.

1.  А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО», Рязань, РГРТУ 2012.

2. http://searchnetworking.techtarget.com/definition/CSMA-CA

3. http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.1450-0-200005-S!!PDF-E.pdf


Ламтев К.М.