П.Б. Никишкин

КП «Система сбора данных с подвижных объектов»

Часть I.

В данном курсовом проекте необходимо разработать систему для беспроводного сбора данных с подвижных объектов с целью фиксации факта их прохождения через контрольные точки. Точки доступа располагаются вдоль трассы предполагаемого движения подвижного объекта и обеспечивают получение оперативных данных с датчиков, расположенных на подвижных объектах. Информация о прошедших через точку доступа объектах, а также сведения с датчиков, передаются в центр сбора информации.

Исходные данные:

• радиус зоны радиопокрытия терминала: 70 м;
• модель предсказания потерь: Хата;
• вероятность ошибки на бит P_b = 10^-6;
• мощность излучения подвижной станции Р_{изл Т} < 100 мВт.

Анализ поставленной задачи, выявление особенностей работы системы.

Предположим, что данная система будет использоваться в автомобильных соревнованиях вида ралли.

Для выведения на табло текущих результатов гонщиков, информация о каждом участнике передается в центр сбора информации (ЦСИ). Терминал получает данные с помощью датчиков. После прохождения каждой контрольной точки, на точку доступа должны поступать такие данные как: скорость движения, пульс водителей, температура тела, температура двигателя, давление в шинах и количество топлива. Терминал и датчики устанавливаются в автомобилях.

Для обеспечения правильной работы системы, предусмотрен процесс идентификации терминала и точки доступа. Для этого на ЦСИ создается журнал идентификационных номеров для терминалов и точек доступа. Перед стартом, в ЦСИ всем терминалам и точкам доступа присваиваются идентификационные номера, которые затем передаются терминалам и точкам доступа. В информационной системе терминала хранится идентификационные номера точек доступа. В зоне обслуживания точек доступа, терминал определяет имеет ли право передавать сообщения в этой сети.

Определение списка основных и дополнительных услуг.

Каждая точка доступа оборудована приемником GPS Navstar, для организации в системе единой шкалы времени. Она фиксирует момент появления участника в зоне обслуживания, и затем передает это время, вместе с данными принятыми от терминала, на ЦСИ.

К основным услугам отнесем скорость движения автомобиля и время фиксации точкой доступа каждого участника. К дополнительным услугам отнесем, такие как:

• мониторинг состояния пилота (пульс, температура тела);
• информация об автомобиле (температура двигателя, давление в шинах, количество топлива);

Дополнительные услуги предоставляются после соответствующего запроса.

Из всего вышесказанного получается необходимо наличие следующих датчиков:

• датчик измерения скорости движения,
• датчик измерения пульса,
• датчик измерения температуры тела,
• датчик температуры двигателя,
• датчик давления в шинах,
• датчик оценки количества топлива.

Рисунок 1. Общая идея системы.

Количество участников в данном виде спорта обычно «переваливает»  за сотню. Поэтому возникает задача об одновременном обслуживании некоторого числа участников попавших в зону радиопокрытия. Для решения этой задачи, будем использовать множественный доступ. Вдоль трассы на расстоянии 10-15 км, располагаться контрольные точки (рисунок 1). Точка доступа через определенное время отправляет широковещательные сообщения. В этих сообщениях она передает такие данные, как свой идентификатор, профиль функционирования ФК, пакеты синхронизации. Терминал, извлекая данные из принятого широковещательного сообщения, по идентификатору точки доступа определяет «свою» ли эта точка доступа, выбирает профиль функционирования, подстраивает шкалу времени. Для передачи сообщения терминал сравнивает уровень широковещательного сообщения с порогом, и как только он стал больше порога, терминал на основе конкурентной борьбы пытается передать необходимое сообщение. Для того, чтобы не было пересечения зон обслуживания точек доступа и взаимного влияния друг на друга, частоты их широковещательных сообщений должны быть различны. Частоты могут повторяться, через каждую вторую точку доступа.

Оценка трафика и обозначение требований к способу доставки сообщений.

Трафик генерируемый терминалами, является эпизодическим, зависящим от того попадает ли терминал в зону радиопокрытия терминала. В данной системе достаточно одного факта передачи, и вне зависимости от того сколько находится в зоне радиопокрытия терминал больше не генерирует трафик, а точка доступа к терминалу не обращается. Для этого в информационных системах (ИС) точки доступа и терминала, необходимы маркеры. В поле Marker журнала хранения данных ИС терминала ставиться маркер, что сообщение отправлено на точку доступа, а в поле Marker журнал хранения принятых данных с терминала ИС точки доступа ставится маркер, что сообщение от терминала принято.

Выделение источников и получателей информационных сообщений.

Теперь определимся с источниками и получателями информационных сообщений. Источником сообщения является терминал, а получателем сообщения -  центр сбора информации (ЦСИ), через точку доступа. Терминал при прохождении через зону радиопокрытия, выясняет какие данные он обязан предоставить, и предоставляет их в виде сообщения. Тогда появляется вопрос, как терминал выясняет какие данные он должен предоставить. Здесь возможно два варианта. Первый вариант заключается в том, что оператор, находящийся в ЦСИ, отправляет на точку доступа запрос о предоставлении дополнительной услуги, для этого на точке доступа имеется журнал предоставления дополнительных услуг. Информация для дополнительной услуги может быть снята либо со всех датчиков, либо частично. Для этого в журнале предоставления дополнительных услуг, указывается с каких датчиков нужно получить информацию (рис.8). Точка доступа  формирует сообщение конкретному терминалу, содержащее в себе какие дополнительные услуги должен оказать терминал. Второй вариант: Терминал, не получает от точки доступа, сообщение о предоставлении дополнительных услуг, т.е. терминал передаст на точку доступа сообщение, которое будет состоять только из основных услуг.

Для работы оператора необходимо программное обеспечение, с помощью которого он сможет управлять точками доступа, ставить маркеры на запрос дополнительных услуг от терминалов, очищать журналы точки доступа и т.д.

Рисунок 2. Топология сети.

Таким образом, основными компонентами системы являются: терминалы, точки доступа и ЦСИ (рисунок 2).

На терминалах необходимо радиооборудование для организации двухсторонней беспроводной связи.

На точках доступа установлено, с одной стороны, оборудование для связи с терминалами, а с другой стороны оборудование, для обмена сообщениями с ЦСИ.

ЦСИ находится в удаленном месте, имеет дистанционный доступ к информационным системам точек доступа, для возможности управления и контроля их работы, приема, хранения и обработки данных.

ЦСИ получает данные с точек доступа, с помощью своих запросов на каждую точку доступа, тем самым ЦСИ опрашивает активность точки доступа. Опрос точек доступа выполняется не оператором, а с помощью алгоритма. В результате успешного приема данных ЦСИ отвечает подтверждением. Если точка доступа получает подтверждение, это является в свою очередь основанием для очистки журналов с данными.

Рассмотрим вопрос, связанный с автономным питанием точки доступа и терминала.

Терминал после того как передал сообщение на точку доступа, для уменьшения энергопотребления уходит в режим «сон». Следовательно, терминалу необходимо знать, сколько времени он может находиться в «спящем» состоянии. Для этого в ЦСИ из журналов берутся максимальное значение скорости участников и расстояние между точками доступа. Зная эти величины в ЦСИ по специальному алгоритму вычисляется «время сна». Значение этого «времени сна» передается на точку доступа, а точка доступа затем передает его в своих широковещательных сообщениях.

Энергосбережение элемента питания точки доступа, в зависимости от трассы может быть двух вариантов. Первый вариант используется тогда, когда соревнование проходит на замкнутый трассах, где участники проезжают по одному и тому же маршруту некоторое число кругов. В этом случае в ЦСИ также необходимо значение максимальной скорости и длину круга трассы. Зная эти параметры, рассчитывается «время сна» для точки доступа. Второй вариант: если трасса имеет незамкнутый маршрут, то энергосбережение точки доступа выполняется путем её отключения. Точка доступа переходит в режим энергосбережения только после получения от ЦСИ подтверждения успешной передачи сообщения.

Рассмотрим, из каких основных компонентов состоит разрабатываемая система.

Для организации беспроводной связи между терминалом и точкой доступа, в составе терминала установлен радиомодуль. За хранение и распределение всей информации отвечает устройство управления сценариями. Для получения информации с датчиков и GPS-модуля используются специальные интерфейсы для связи с информационной системой (рисунок 3).

Рассмотрим краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки сообщений. Терминал при попадание в зоны радиопокрытия, выясняет какого вида ему необходимо отправить сообщение (с основной услугой, с основной и дополнительной услугой). С помощью радиомодуля осуществляется передача подготовленного сообщения на точку доступа. На точке доступа с помощью радиомодуля осуществляется прием сообщения от терминала.

Рисунок 3. Функциональная схема терминала.

 Для связи ЦСИ с каждой точке доступа, необходимо предусмотреть подключение 3G модема, интерфейс соединения usb. Для функционирования всех элементов точки доступа, имеется устройство управления.

Рисунок 4. Функциональная схема точки доступа.

Сообщения, отправляемые точкой доступа могут предназначаться, либо всех терминалам, т.е. являются широковещательными, либо конкретному терминалу - адресные. Принцип организации доступа к физическому каналу, предполагается подробнее рассмотреть во второй статье.

Определение и обоснование информационной подсистемы сети.

Информационная подсистема терминала включает в себя такие элементы, как:

• журнал запрашиваемых услуг – журнал, который содержит сведения о том какую услугу необходимо предоставить;
• журнал хранения данных – содержит информацию со всех датчиков, которую необходимо будет передать на точку доступа на основании журнала запрашиваемых услуг.
• журнал идентификационных номеров ТД – основное предназначения состоит в том, чтобы терминал мог определить находится ли он в зоне обслуживания своей точки доступа;
• идентификационный номер терминала – уникальный номер терминала, присвоенный ЦСИ перед началом соревнования.

Информационная подсистема точки доступа состоит из:

• журнала предоставления дополнительных услуг – в данном журнале содержится запрос от ЦСИ на дополнительную услугу, которую должен предоставить конкретный терминал;
• журнала хранения данных принятых с Т – хранятся данные полученный от терминалов;
• журнала успешной доставки сообщений на ЦСИ – подтверждения доставки на ЦСИ;
• идентификационный номер ТД – уникальный номер точки доступа, присвоенный перед началом соревнования ЦСИ;
• журнал идентификационных номеров терминалов – используется для идентификации участников, а также для отправки сообщения конкретному терминалу, например для получения дополнительной услуги.
• журнал фиксирования терминала – фиксирует время появления терминала в зоне обслуживания, для дальнейшей передачей вместе с сообщением от терминала на ЦСИ.

Рисунок 5. Информационная подсистема сети.

Рисунок 6. Журнал хранения данных в терминале.

Рисунок 7. Структура журнала хранения данных принятых с терминала

Рисунок. 8. Структура журнала предоставления дополнительных услуг.