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 модуль (ППМ) 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 внешниеисполнительные 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) передает по каналу BCCH сообщение сенсору, содержащую помимо запроса о предоставлении данных, свой уникальный идентификационный номер (UIN GU), жѐстко прописанный в памяти, номер канала случайного доступа (RACH) и номер канала разрешенного доступа (AGCH).

2. Определив доступность связи с текущей точкой доступа, сенсор по каналу RACH посылает заявку к точке доступа о предоставлении ему индивидуального канала для передачи информации, содержащий собственный уникальный идентификатор (UIN S). В памяти ГУ жестко прописаны разрешенные UIN S. Если UIN S присутствует в памяти ГУ, то выделяется для связи индивидуальный канал - DTCH, и сообщает его номер сенсору вместе с готовностью к приему данных.

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.