1.     Анализ поставленной задачи. Подробное описание задач.

Основная задача работы состоит в создании модели радиосети, предназначенной для управления освещением. Радиосеть состоит из светодиодных светильников, оснащенных радиотерминалами, центра управления – персонального компьютера, со специальным программным обеспечением. По команде с пульта управления осуществляется включение/выключение освещения, плавная регулировка яркости любого из имеющегося в сети светильника/группы светильников, регулировка цвета освещения. В обратном направлении передается уведомление об успешном приеме команды, в составе пакета телеметрии и собственно сам пакет. Сообщение от пульта управления может быть широковещательным(адресуется всем активным лампам), либо может относиться к конкретному терминалу.

 

Исходные данные

1.     Вид модуляции:  BFSK

2.     Вид CRCCRC8

Разрабатывать систему радиоуправления освещением будем для музея.

 

Требования, к разрабатываемой системе:

1.     Минимально возможная мощность излучения терминала. Так как в помещении будут находиться люди, важно чтобы система не имела даже малейшего влияния на их здоровье.

2.     Надежность соединения. Так как в данной системе управление будет осуществляться по беспроводной сети необходимо, чтобы все сообщения достигали своего назначения и устройства отправляли подтверждение о получении.

3.     Защищенность соединения. Должна быть гарантия, что неуполномоченные третьи лица не смогут перехватывать или вмешиваться в беспроводное соединение.

4.     Минимальный диапазон используемых частот.

5.     Простота использования. Пользователями будут обычные сотрудники, а не гении инженерной мысли, поэтому управление системой должно быть наиболее простым.

6.     Освещение экспозиции должно быть устроено таким образом, чтобы цвет, фактура экспоната передавались как можно точнее, свет должен быть приятным для посетителей. Каждое помещение  должно создавать у посетителя определенное настроение.

 

Структура, разрабатываемой радиосети:

   Помещение музея разделено на секции и содержит в себе 100 светильников, работающих автономно, без системы радиоуправления. В курсовой работе будет разрабатываться дополнительная опция к этой системе: сеть дистанционного мониторинга светодиодными светильниками. Соответственно с разделением на секции будут выделяться группы светильников. В качестве точки доступа  будет выступать Центр Управления - ПК. Терминалами будут светодиодные светильники. Оператором системы будет выступать работник выставки.


Рис 1. Структура радиосети.

 

Управление системой происходит с помощью команд, которые пользователь формирует с клавиатуры на ПК, далее эти команды передаются на точку доступа, а оттуда рассылаются всем терминалам. Также в системе присутствует сервер хранения данных, в котором содержится вся информация о терминалах, принадлежащих сети, данные цветовой модели RGB, история команд за последний месяц, пакет телеметрии, переданный терминалами за последнюю неделю, заранее прописанный набор команд, который должен выполниться определенной секцией (например: выключиться 1, 3, 5, 7, 9 терминалам; 2, 6, уменьшить яркость; 4, 8, 10 изменить цвет).

Рассмотрим подробнее структуру светильника:


Рис 2. Структура светильника.

РМ – радиомодуль, осуществляет беспроводную связь между светильником и ЦУ.

ИП1 – источник питания радиомодуля. Необходим для обеспечения питания в случае, если светильник перегорит или по какой-либо другой причине перестанет работать, для того, чтобы радиомодуль смог уведомить пользователя об аварии.

ИИП – интегрированный источник питания.  Внедряется непосредственно в схему светильника для создания единого силового каскада, позволяет избежать значительных потерь электроэнергии. Необходим для обеспечения питанием светильника.

Драйвер. Защищает светодиоды от колебаний напряжения, а также от перенапряжения и скачков напряжения.

Отвод тепла. Светодиоды крайне чувствительны к температуре. Сильный нагрев снижает световой поток светодиода и может привести к выводу его из строя. В качестве средства отвода тепла будем использовать радиаторы и вентиляционные отверстия.

Светодиоды. Будут использоваться зеленого, красного и синего цветов. При изменении мощности ИИП, согласно цветовой модели RGB будем получать необходимый цвет на выходе.  

Датчик. Фиксирует температуру светодиодов и мощность, подаваемую на диоды.         

СиР – смешивание и рассеивание света. Включает в себя  линзы, устройства для направления, смешивания и рассеивания света.          

Контроллер. Отвечает за обработку информации, реализует сценарий взаимодействия Т и ЦУ. Также содержит информационную подсистему для хранения ID светильника, ID точки доступа, номера команды с ЦУ, данных с датчика телеметрии, последней команды от ЦУ (на случай отключения питания светильника, для того, чтобы после возвращения в рабочее состояние выполнялась последняя команда).  

Задачи, выполняемые в системе радиоуправления.

Рассмотрим подробнее задачи, выполняемые в системе. Начнем с того, что пользователь может управлять одним/группой/всеми светильниками. Для этого в ПО ему необходимо выделить интересующие его объекты. Теперь определимся с тем, как пользователь может ими управлять:

1.     Включать/выключать терминалы. Для этого будут в ЦУ формироваться команды с уровнем мощности, который необходимо установить ИИП. Например, для выключения освещения поле команды будет заполнено нулями.

2.     Управлять цветом светильников.  Для этого пользователь с помощью спектра может выбрать необходимый цвет светодиодного светильника.   При этом программа выбирает из цветовой базы данных пропорцию цветовой смеси, например R=56, G=31, B=87, и отправляет эти данные в качестве команды о задании определенной мощности на светильник.


Рис 3. Цветовой спектр.

3.     Управлять яркостью светильников. Для этого пользователь с помощью ползунка, выбирает необходимую яркость, а ЦУ формирует сообщение с командой, где будет передаваться уровень мощности относительно максимально возможного значения.

4.     Получать пакет телеметрии. В этом пакете будет содержаться вся информация о светильнике: значение потребляемого тока, рабочей температуры, времени работы, напряжении в сети, индекса цветопередачи .

            1.  Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминалов радиосети. Определение и подробное обоснование задач, выполняемых терминалами в активном и пассивном состояниях (режимах).

Определимся с режимами работы терминалов радиосети. Все режимы будут делиться на активные и пассивные.

 Пассивное состояние – это состояние, в котором в целях экономии энергии будет отключен радиомодуль. Разработчик при помощи центра управления задает время, через которое радиомодуль должен проснуться, чтобы получить сообщение.  При этом в рамках этого режима расшифровывается принятая команда, выполняется полученная ранее команда, формируется пакет телеметрии.

Активное состояние – состояние, при котором радиомодуль включен. Подробнее рассмотрим режимы этого состояния:

1.     Режим приема. Пользователь формирует сообщение с помощью ПО, это сообщение передается на точку доступа и ретранслируется терминалам. Светильник, просыпаясь его принимает.

2.     Режим передачи. Во время этого режима терминалом передается пакет телеметрии на центр управления.

3.Пояснение способа организации доступа к физическим каналам (организация множественного доступа).

    Трафик в разрабатываемой системе нерегулярен – происходит обмен сообщениями, исходя из этого, использование алгоритмов множественного доступа будет эффективно.

Выбор метода множественного доступа будет осуществляться исходя из:

1.        Требования к разрабатываемой системе: минимального диапазона используемых частот. Следовательно, частотное разделение канала нам не подходит.

2.        В системе будут передаваться служебные сообщения, сообщения, содержащие номера команд управления и пакеты телеметрических данных. Речь в системе не передается, а значит, появление задержек по времени не является фатальным.

   Исходя из этого, можно сделать вывод, физическим каналом будет являться временной слот с определенным номером, который отводится под сеанс связи.

Выберем метод множественного доступа:

Топология разрабатываемой сети – «звезда», в ней присутствует 1 точка доступа и 100 терминалов. Выбор передаваемых сообщений в системе не велик: точка доступа передает команды управления, терминалы пакет телеметрии. Так как трафик не регулярный, и задержки по времени существенной роли не играют, методом множественного доступа выберем метод опроса терминалов о предоставлении ему каналов. Центр управления будет каждому терминал в порядке очереди  передавать команды.

 

 Рис. 4. Метод множественного доступа.

Каждая команда, вне зависимости от того, что хотел пользователь от терминалов будет в поле данных включать запрос пакета телеметрии. Так же это сообщение будет включать номер слота, по которому можно передать ответ. Центр управления, передав команду 1 терминалу, не будет дожидаться, пока придет ответ. Он передаст команды также всем терминалам данной группы (розовые временные интервалы). За это время 1 терминал успеет сформировать ответ и начнет передавать его в отведенном ему кадре. После того, как все терминалы пришлют пакет телеметрии(голубые временные интервалы), центр управления будет формировать команды, следующей группе светильников. В начале мультикадра каждой группе светильников будут передаваться подстройка по частоте FCCH и кадровая синхронизация SCH.


Рис.5 Кадр.

Сообщение BCCH будет использоваться, если какую-либо информацию необходимо передать всем светильникам сети. Например: свой индентификатор, для того чтобы светильники знали какой сети принадлежат и некоторое третье лицо не смогло перехватить управление по радиосети. Так же по BCCH будут передаваться команды всем светильникам сети, например: выключиться. Временные каналы 1, 2, 3 и др. являются каналами трафика, по ним передаются команды, отчеты о доставке будут так же передаваться по этим каналам.

1.     Разработка сценария соединения. Построение и подробное пояснение графических диаграмм состояний терминала, отражающих элементы разрабатываемого сценария. Пояснение решений устранения коллизий, возникающих в радиосети.

   Плодотворное общение Центра управления с терминалом начинается с регистрации его в сети. Это происходит только один раз за время эксплуатации в момент установления светодиодного светильника. Точка доступа оповещает терминал о том, что он принадлежит ей, производит подстройку по времени и передает информацию о том, в какие моменты времени терминал должен просыпаться, чтобы принять сообщение. После этого терминал засыпает и просыпается по таймеру для принятия сообщения. Получив команду и номер слота для ответа, радиомодуль засыпает, до тех пор, пока не подойдет время передачи. В это время контроллер обрабатывает полученное сообщение, приступает к выполнению команды, формирует пакет телеметрии. Срабатывает таймер, терминал переходит в режим передачи и отправляет пакет телеметрии центру управления, после чего снова засыпает, до срабатывания внутреннего будильника. В это время центр управления сверяет пришедшую информацию с тем, что должно быть. Если она совпадает, то на следующем круге терминалу посылается новое сообщение. Если не совпадает, то это означает, что терминал по каким-то причинам не принял сообщение или не смог его правильно расшифровать и на новом круге сообщение повторяется.

  Терминал не посылает какие-либо отчеты о принятии сообщений по той причине, что сообщение могло быть послано группе терминалов и если они начнут отвечать одновременно, есть возможность возникновения коллизии, а это для нас не желательно.

 

                                               

 

 

Использованная литература:

1.     Курс лекций “CCПО” Бакке. А. В..