1. Расчетная часть

1.1. Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. В контексте решаемой задачи: определение источников и получателей информационных сообщений, оценка характера трафика и формулирование требований к способу доставки сообщений. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.

Цель курсового проекта - разработать радиосистему дистанционного видеоконтроля, которая предназначается для организации сети подвижных роботов, оснащенных видео и аудио датчиками. Видеоизображения и звуковые сигналы от активных устройств в режиме реального времени передаются на базовую станцию (точку доступа), которая перенаправляет эти потоки конечным потребителям.

         Разрабатываемая  система дистанционного видеоконтроля состоит из двух сегментов:

- сегмент управления;

- сегмент подвижных роботов.

Сегмент управления предназначен для координации роботов, управления видеокамерами, находящимися на них, и хранения информации, приходящей от видеокамер. Видеокамера выполняет функции записи изображения и звуковых сигналов. Таким образом, сегмент управления выполняет следующие функции:

- управление передвижением роботов;

- управление видеокамерами;

- хранение аудио и видео информации;

- резервное хранение аудио и видео информации.

В сегмент управления (СУ) входят:

1) операторы и их рабочие места;

2) накопители;

3) сервер хранения данных

Сегмент подвижных роботов (СПР) предназначен для сбора аудио и видео информации. Включает в себя группу подвижных роботов с установленными на них видеокамерами. Группа роботов объединена беспроводным способом в единую радиосеть. Данный способ выбран исходя из особенностей проектируемой системы.[1] Каждый подвижный робот оснащен терминалом- комплектом устройств, осуществляющий сбор данных и имеющее все необходимое для двусторонней беспроводной связи с базовой станцией и непосредственно с конечными пользователями. [2]

Для реализации сети воспользуемся узловой топологией (топология «звезда») в связи с небольшим количеством терминалов и простотой организации сети. После выбора конфигурации сети появился новый элемент – точка доступа - комплект устройств , имеющий возможность осуществления связи как с терминалом, так и с конечными устройствами приема информации (ЦУСИ) и как бы связующее звено в процессе обмена информации. [1,2]

Чтобы оценить характер трафика в этом направлении, необходимо определиться в каком формате ведется запись аудио и видео данных. Наиболее современным и оптимизированным для аудио и видеоданных является MPEG-4.Для конечных пользователей, MPEG-4 предлагает более высокий уровень взаимодействия с содержимым объектов. Стандарт транспортирует мультимедиа данные через новые сети, включая те, которые имеют низкую пропускную способностью, например, мобильные.

Так же выбор MPEG-4 обусловлен и тем, что устойчивость к ошибкам будет поддерживаться, чтобы обеспечить доступ к изображениям и видео через широкий спектр систем памяти и передающих сред. Это включает в себя операции алгоритмов сжатия данных в среде, подверженной сбоям при низких скоростях передачи (т.e., меньше чем 64 Кбит/с). [3]

Из множества модификаций MPEG-4 выберем 2 наиболее часто используемых в системах видеоконтроля. 

Таблица 1. Модификации стандарта MPEG-4 используемые в системе видеоконтроля.

Из выбранных модификаций следует, что для передачи видео и аудио потоков с одного терминала необходимо гарантировать скорость передачи 1400Кбит/с. В случае если в системе видеонаблюдения работают только половина роботов, то можно увеличить до 2600 Кбит/с.

Для передачи команд управления достаточно скорости несколько сотен бит/с – единицы кбит/с. Стоит отметить, что в этом направлении трафик носит пульсирующий характер. Это объясняется тем, что оператор с разной периодичностью «генерирует» команды управления. Еще одной особенностью этого направления передачи является гарантируемость доставки команд управления. Одним из способов обеспечения гарантируемой доставки является автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research Quarterly – ARQ).[1]

 Для MPEG-4 существуют множество аудиокодеков,  которые применяются в различных сферах. Для данного проекта используем аудиокодек  WavPack. WavPack — свободный и универсальный lossless* и lossy* аудиокодек. Позволяет сжимать и восстанавливать 8-, 16-, 24- и 32-битные аудиофайлы. Эффективность сжатия зависит от исходных данных, но обычно оно лежит в диапазоне между 30 % и 70 % для обычной популярной музыки, выше для классической музыки и других аудиоданных с более широким динамическим диапазоном.  Выбор так же обусловлен тем, что WavPack  включает уникальный «гибридный» режим, который предоставляет все преимущества сжатия без потерь с дополнительным бонусом: вместо создания одного файла, в этом режиме создается относительно небольшой файл высокого (точнее, указанного при кодировании) качества с потерей (.WV), который может проигрываться сам по себе, а также файл «коррекции» (.WVC), который (в комбинации с предыдущим .WV) позволяет полностью восстановить оригинал. Для некоторых пользователей это означает, что им никогда не придётся выбирать между сжатием без потерь и с потерей качества.[4]

Основной услугой этой системы является видеонаблюдение. Дополнительных услуг в системе не предусмотрено. [1]

2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: сообщения для передачи - инициатор сеанса связи - доставка сообщения (сеть) - получатель сообщения. Обоснование наличия выделенных узлов сети и аргументированное пояснение их задач. Обоснование и выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при необходимости).

 С точки зрения организации системы видеонаблюдения имеется две сети:

- локальная сеть сегмента управления;

- радиосеть сегмента подвижных роботов.

Локальная сеть СУ функционирует на основе технологии Ethernet. Эта технология подразумевает, что рабочее место оператора, сервер хранения данных и накопители имеют IP-адреса (Internet Protocol Address). В состав радиосети входят терминалы и точка доступа (ТД). Для взаимодействия ТД с маршрутизатором локальной сети ТД также присваивается IP-адрес. Для организации работы радиосети каждому терминалу присвоен уникальный идентификационный номер ID_Т. ТД, в свою очередь, тоже имеет уникальный идентификационный номер ID_ТД, необходимый терминалам для идентификации сети. 

Функциональная схема сети представлена на рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема сети

Рассмотрим функционирование сети. Терминалы на начальном этапе находятся в спящем режиме - режим IDLE. Затем терминалами осуществляется поиск сети , а ТД передает широковещательные сообщения. С помощью информации из этого ШВС терминал регистрируется в сети.    Этап регистрации осуществляется следующим образом: ТД осуществляет поиск  активных терминалов путем поочередного опроса. ТД заранее (с момента установления или обновления программного обеспечения на терминалах и ТД) известен список идентификационных номеров терминалов ID_Т, данный список хранится в журнале адресов ИС_ТД. Операция поиска терминалов происходит периодически.

Задачи ТД:

1.передача общей информации о сети: включает в себя ID_ТД  и шкалу распределения временных интервалов между терминалами;

2.прием видеопотока и перенаправление его на СУ;

3.гарантируемая доставка команд управления, приходящих от рабочих мест операторов;

4.адаптация радиосети к выбранной модификации стандарта MPEG-4;

5.резервирование каналов связи для передачи видеопотока;

6. смена профиля функционирования

Задачи Т:

1.сбор аудио и видео информации;

2.передача аудио и видео информации;

3.прием команд управления радиосетью (адаптация радиосети к выбранной модификации стандарта MPEG-4 и смена профиля функционирования);

4. прием команд управления видеокамерой.[1]                                            

Функциональная схема ТД представлена на рис.2.

Рис.2. Функциональная схема ТД

В ее состав входят:

1. Радиомодуль отвечает за организацию беспроводной связи ТД с Т .

2. Модуль извлечения информационных сообщений, необходим для отделения аудио и видео данных от служебных сообщений;

3. Модуль принятия решений и обработки каналов сигнализации на основе полученных служебных сообщений решает, как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия ТД и Т;

4. Модуль оперативных измерений - определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает модуль принятия решений и обработки каналов сигнализации, который затем отправляет команду радиомодулю перестроиться на соответствующий профиль функционирования

5. Информационная система – отвечает за ведение журнала активных терминалов и хранение как идентификатора ТД, так и идентификаторов терминалов, а также сбор статистических данных о работе сети;

6. Сетевой контроллер - периферийное устройство.Связь между контроллером и модулем принятия решений и обработки каналов сигнализации необходима для возможности обновления сценариев взаимодействия ТД и Т. Связь между контроллером и информационной системой – для обновления данных, хранящихся в ней, и дублирования её на ЦУСИ.[1,2]

 Функциональная схема терминала (Т) представлена на рис. 3

Рис. 3. Функциональная схема терминала

1. Радиомодуль отвечает за организацию беспроводной связи Т с ТД.

2.Модуль извлечения информационных сообщений -  необходим для отделения команд управления от служебных сообщений;

3. Модуль управления ресурсами терминала на основе полученных служебных сообщений определяет, как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия Т и ТД;

4. Модуль оперативных измерений – определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает модуль управления ресурсами терминала, который затем отправляет команду радиомодулю. И далее радиомодуль сигнализирует ТД, чтобы та приняла решение о перестройке на соответствующий профиль функционирования;

5. Информационная система – отвечает за хранение идентификатора Т, идентификаторов ТД;

6. USB-модуль - для взаимодействия терминала и робота через USB-интерфейс.[1,2]

3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы выделенного узла сети и терминалов, описание их назначения и пояснение необходимых связей между модулями

Информационная подсистема ТД отображена на рис. 4 и включает в себя:

-журнал оператора хранит информацию о том какими датчиками на каком терминале он управляет;

-журнал адресов содержит ID всех терминалов, сведения о том за каким терминалом закреплен оператор;

-журнал выделенных каналов связи содержит информацию об используемых каналах связи (скорость трафика, каким Т используется).

-журнал статистики содержит такую информацию как входящий/исходящий трафик (от журнала выделенных каналов связи), время нахождения терминала в сети;

-информация о точке доступа – содержит ID точки доступа, функционально не связан с выше перечисленными журналами.

Рис.4. Структурная схема информационной подсистемы  ТД

Информационная подсистема Т отображена на рис. 5 и включает в себя всего два элемента:

-журнал идентификаторов точки доступа – содержит идентификатор ТД;

-информация о терминале – содержит ID терминала, а также ключ шифрования.

Стоит отметить что эти элементы функционально не связаны.[1,2]

Рис.5. Структурная схема информационной подсистемы  Т

Список использованной литературы

1. http://omoled.ru/publications/view/425

2. http://omoled.ru/publications/view/288

3.  http://book.itep.ru/2/25/mpeg-4R.htm

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/WavPack