Тема Т8-Т13. "Передача сообщений в радиосенсорной сети"
Выполнил: студент группы № 1110 Лазарев А.В.

1. Расчетная часть.

1.1. Анализ поставленной задачи, подробное описание задач радиосети;

1.2. Разработка способа установления канала передачи сообщений (описание процедур гарантированной/негарантированной доставки адресных сообщений);

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

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

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


1.1. Анализ поставленной задачи, подробное описание задач радиосети.

Описание задания.

 

Основная задача работы состоит в создании модели радиосети, предназначенной получения данных с различных сенсоров по радиоканалу. С ведущего устройства сети на сенсоры поступают запросы на предоставление сведений о параметрах, измеряемых сенсором, в обратном направлении – значения параметров (рис.1.1).





Исходные данные к проекту:


Вид модуляции - BFSK

Тип помехоустойчивого кодирования - произвольный блоковый код,

 исправляющий не менее 3 ошибок

Тип CRC - CRC-8


         Основные технологии и преимущества

       ретрансляция  сообщений по цепи;

       самоорганизация сети;

       самовосстановление сети;

       автономность устройств;

       микропроцессор, датчик и радио в каждом устройстве;

       маломощное радио.

         Использование сенсорных сетей

       системы безопасности и оборона;

       промышленный мониторинг;

       автоматизация строений («умный дом»);

       логистика;

       экология и чрезвычайные ситуации;

       здравоохранение.


Целью данного проекта является реализация беспроводной передачи данных от удаленных датчиков, измерителей, выключателей и т.д. Причем перед собой я поставил дополнительную задачу – исполнение должно быть с минимумом финансовых и временных издержек.


1. Соединение приемно-передающего модуля и сенсоров:

1.1. Запрос данных.

Здесь стратегия следующая:

- Приемно-передающий (ППМ) модуль запрашивает данные с сенсоров по радиоканалу.

-В случае успешной доставки сообщения, данные отправляются в ППМ.

- ППМ и сенсоры входят в пассивный режим, если им не нужно передавать информационные сообщения, либо в активный режим, в котором они осуществляют передачи информационных сообщений.


1.2. Установление сеанса соединения.

Радиосеть сбора данных физически состоит из некоторого числа радиосенсоров с автономным питанием с подключенными к ним внешними датчиками и одного центрального приемно-управляющего модуля. Радиосенсоры периодически высылают пакеты данных, которые принимаются центральным модулем (ЦМ). Центральный модуль может выдавать управляющие сигналы на внешние исполнительные устройства в соответствии с сигналами от радиосенсоров или передавать накопленную с радиосенсоров информацию по проводному последовательному интерфейсу по запросу на другие устройства или компьютер (рис.1.2).




1.2. Разработка способа установления канала передачи сообщений (описание процедур гарантированной/негарантированной доставки адресных сообщений)

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


Абонентские терминалы могут находиться в активном или пассивном режиме.

Пассивный режим работы связан с тем, что терминалы не выполняют никаких задач, то сеть находится в режиме пониженного энергопотребления.

Активный режим характеризуется необходимостью приема или передачи информации.

 

В активном режиме:

1.     ППМ отправляет сообщение о необходимости предоставить данные с датчиков и ожидает ответа от сенсоров.

2.     Сенсоры, в случае успешного приема сообщения, отвечают сообщением, в котором содержатся данные с датчиков. 

3.  После того, как сообщения успешно переданы, осуществляется переход в пассивный режим.

 

В пассивном режиме:

Радиосенсоры считывают информацию с температурных датчиков и аналоговых входов в течении короткого периода через определенные промежутки времени, все остальное время находясь в выключенном состоянии с целью экономии энергии автономного источника напряжения. Время выхода из выключенного состояния определяется работой внутреннего сторожевого таймера микроконтроллера радиосенсора.

 

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

Используется метод DAMA (Demand Assigned Multiple Access) – множественный доступ с предоставлением каналов по требованию (рис.1.3).

 

Он основан на двух этапах:

1.     Первый этап – резервирование канального ресурса. На этом этапе головное устройство будет посылать сообщения сенсорам с целью получения данных с датчиков.

2.     Второй этап -  идет непосредственная передача данных в отведенные интервалы времени. 




По схеме, указаной на рис.1.2, можно определить, что конкретное решение часто необходимо для считывания информации с рядом расположенных, но подвижных объектов в пределах 100...200 м. С другой стороны эта система также может быть применена для множественного доступа из разных точек к одному исполнительному устройству, например электрозамку или выключателю освещения.

Поскольку в радиосети может работать одновременно несколько передатчиков, то для предотвращения конфликтов, связанных с одновременной синхронной передачей пакетов разными радиосенсорами, применен способ случайного генерирования длительности пауз между периодами активности в радиосенсорах. Для этого в радиосенсорах применяется программный генератор случайных чисел (ГСЧ). Разное время включения радиосенсоров обеспечивает достаточно хорошую рандомизацию ГСЧ.

 

 

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

 

Для реализация можно использовать микропроцессор ATMEGA8, который имеет весьма дружественную архитектуру, а также очень доступный и обширный набор инструментов быстрой разработки.

В качестве сенсоров (датчиков) используются DS18S20 - цифровые датчики не требующие калибровки и с возможностью объединения в сеть.

К радиосенсору подключена локальная проводная сеть датчиков с интерфейсом 1-Wire (рис.1.4). На 1-Wire шину подключаются температурные датчики DS18S20. Это цифровые датчики с точностью ±0.5°C и диапазоном измерения -55°C to +125°C, производимые фирмой Maxim Integrated Products, Inc. Шина 1-Wire может объединять множество датчиков, образуя сеть. Программа радиосенсора в момент его включения способна идентифицировать все 1-Wire устройства подключенные в эту шину.




Для сосуществования сети радиосенсоров вблизи других аналогичных сетей (например в многоквартирном доме) реализовано кодирование передаваемых пакетов на основе 4-х байтного ключа с помощью криптоалгоритма RC4. Приемник одной радиосети, не зная ключа, не может случайно или намерено принять и расшифровать пакеты, выдаваемые радио-сенсорами другой сети.

Целостность передаваемых пакетов контролируется с помощью контрольной суммы, а для уменьшения вероятности ложного приема пакетов применено специальное кодирование преамбулы пакета.

Для мгновенной активизации в ответ на некоторые события радиосенсоры снабжены двумя цифровыми входными линиями (рис.1.5). При спаде сигнала на какой-либо из цифровых линий, радиосенсоры входят в рабочее состояние и сразу же начинают передачу сигнала с информацией о состоянии этих линий. Центральный модуль в ответ на принятое сообщение без задержек способен дать соответствующий сигнал внешнему исполнительному устройству.



У радиосенсора ряд параметров может быть изменен с компьютера или другого устройства через встроенный последовательный интерфейс. Параметры можно изменить временно только в ОЗУ микроконтроллера радиосенсора до следующего включения либо сделать новые параметры постоянными с сохранением их в EEPROM (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ) микроконтроллера.

При включении радиосенсора программа микроконтроллера проверяет целостность данных в EEPROM с помощью механизма контрольной суммы и в случае сбоя возвращает параметры в состояние по умолчанию.


Изобразим сценарий передачи данных от головного устройства к сенсорам (рис.1.6).



1.     Головное устройство (ГУ) посылает сигнал оповещения сенсору о том, что для него были приняты пакеты данных. Для этого ГУ использует канал разрешенного доступа AGCH.

2.      После того как сенсор, используя канал разрешенного доступа AGCH отправит сигнал оповещения ГУ о том, что он готов принимать пакеты данных, ГУ начинает передачу данных по каналу трафика TCH.

3.     Если во время передачи пакетов произошла ошибка, сенсор уведомляет об этом ГУ по каналу SCH. 

4.     После этого ГУ начинает повторную передачу неправильно принятых пакетов.

5.     После того, как все пакеты были приняты правильно, сенсор отправляет подтверждение о приёме, используя канал SCH.

6.     Если во время передачи пакетов ошибки не произошло, сенсор сразу отправляет подтверждение о приёме, используя канал SCH.


Используемая литература:

1. Бакке А.В.   «Лекции по курсу ССПО»;

2. Бакке А.В.   «Лекции по курсу ОТССПО»;

3. Бернард Скляр “Цифровая связь”. Издательский дом “Вильямс” 2003;

4. Прокис Дж. “Цифровая связь”. М. Радио и Связь 2000.