Тема работы: 

Радиосеть передачи данных типа «умный дом» 

Выполнил:

студент группы 218

Широких Дмитрий

Цель работы: разработка простейшей радиосети, демонстрирующей взаимодействие бытовых приборов или элементов домашней системы (система садового полива, охранная система, система освещения, тепловые, датчики освещённости и движения) друг с другом или с пользователем системы посредством коммуникационных сетей (IoT - интернет "вещей"). Особое условие – Web-интерфейс взаимодействия с пользователем.

 План курсовой работы  

1 статья:описание планируемой радиосети; обзор имеющейся платформы.

2 статья:создание одной из подсистем управления домом; описание алгоритма работы системы; описание взаимодействия с пользователем.

3 статья: усложнение системы путем добавления других подсистем, взаимодействующих при помощи радиосети. Использование устройств нескольких спецификаций в одной радиосети.

Введение 

         Технология «Умный дом» представляет собой интеллектуальную систему управления домом, обеспечивающую автоматическую и согласованную работу всех систем жизнеобеспечения и безопасности. Основной особенностью такой технологии является объединение отдельных подсистем и устройств в единый комплекс, управляемый при помощи автоматики. Базовой идеей для практической реализации «Умного дома» является  технология интернета вещей (IoT), которая позволяет создать у каждого устройства модуль подключения к сети с возможностью взаимодействия как с пользовательским устройством, так и с рядовым устройством сети.

 1. Обзор платформы

  На первом этапе разработки сети следует провести обзор модуля, на базе которого она будет строиться. В данном случае – это платформа ESP8266, которая представляет собой Wi-fi модуль со встроенным микроконтроллером.

Технические характеристики модуля:

- работа в сетях Wi-fi: 802.11 b/g/n с поддерживаемыми типами шифрования WEP,WPA,WPA2;

- режимы работы в сети: клиент (station), точка доступа (soft AP) и клиент + точка доступа (station +soft AP);

- flash-память от 512 кб;

- ОЗУ данных 80кб, ОЗУ программ 32кб;

- 16 GPIO;

- потребляемый ток до 215 мА (что является главным недостатком данного модуля);

- максимальная дистанция связи 100м;

- напряжение питания от 1,7-3,6 В.

  Внешний вид модуля представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Модуль ESP8266 

  Подключение и прошивка данного модуля осуществляется с использованием UART-интерфейса, для чего используется USB to TTL Converter.

  При разработке сети учитывались следующие достоинства устройства:

- использование Wi-fi: позволяет связываться с маршрутизатором без проводного интерфейса; высокая пропускная способность WLAN, которая решает проблему ограниченного числа терминалов в сети;

- наличие встроенного микроконтроллера позволяет использовать данный модуль как полноценную базу для разработки сети, то есть для решения многих задач не требуется наличие внешнего управляющего устройства;

- низкая стоимость;

- поддержка разных проводных интерфейсов, что позволяет подключать к модулю разнообразные устройства.

  Для макетной разработки сети на базе ESP8266 используется  модуль DevKit, представляющий собой ESP8266 со встроенным USB to TTL Converter, разведенными GPIO и расширенной flash-памятью.

Для того, чтобы оценить работоспособность и возможности модуля, произведем его тестирование, используя АТ-команды. Для начала подключим модуль к ПК, мигание светодиода свидетельствует о его работоспособности. Появление открытой WLAN также подтверждает работоспособность модуля, конкретно − его радиоинтерфейса. Для тестирования воспользуемся монитором порта. В работе использовался монитор серийного порта, который прилагается к среде Arduino IDE (для отображения порта необходимо установить драйвер CH34OG). Затем следует установить параметры обмена: скорость 115200 бод и добавление в конец строки неотображаемых символов NL&CR. Далее введем команду АТ, при исправности ESP8266 отвечает «ok». После этого определим установленную версию прошивки: АТ+GMR. Версия прошивки данного модуля –АТ v0.21. Воспользуемся АТ командами для данной версии прошивки.

2. Функциональный состав радиосети

  Состав планируемой радиосети подразумевает наличие точки доступа АР и управляемых терминалов, что свидетельствует о том, что сеть является структурированной.  Цель данной работы не только объединить в единый комплекс несколько подсистем «Умного дома», но и обеспечить веб-интерфейс взаимодействия с пользователем.  Для выполнения этого условия в сети необходим элемент, который будет связывать разнородные сети, то есть маршрутизатор. Основная задача маршрутизатора – осуществлять взаимодействие между разрабатываемой сетью и сетью Интернет. При использовании Wi-fi роутера в  роли маршрутизатора можно обеспечить это взаимодействие с помощью WLAN.

  Функции АР будут возложены на один из терминалов (в режиме station +soft AP, то есть данный терминал будет выступать в роли клиента в сети Wi-fi роутера и в роли АР в разрабатываемой сети). К ним можно отнести:

     -регистрация терминалов в сети (включая работу DHCP сервера);

-обмен данными с  зарегистрированными терминалами сети;

-сбор данных (для передачи пользователю);

-обмен данными с пользователем, используя веб-сервер.

  Функция терминала - обмен данными с точкой доступа.  

Терминал в данной сети работает в режиме station. На рисунке 3 представлена диаграмма состояния терминала, работающего в этом режиме.

Рисунок 3 – Диаграмма состояний  терминала 

Основным состоянием терминала является IDLE (состояние энергосбережения), кроме того в данном состоянии осуществляется сбор и накопление данных с оконечных устройств. Через установленный интервал времени терминал пытается отправить точке доступа накопленный пакет данных (7), после чего может перейти обратно в состояние IDLE (8) или приема радиомаячкового РМ сообщения (9). В РМ-сообщении указываются идентификаторы элементов сети, для которых имеется сообщение. После приема РМ-сообщения терминал может перейти либо в состояние энергосбережения (2), либо в состояние отправки запроса на получение данных PS-POOL (3). Затем терминал принимает данные (4), после чего либо пытается запросить следующий блок данных (5), либо переходит в состояние IDLE.                                                                                                                                                                                                     Точка доступа в планируемой сети работает в режиме station +soft AP. Диаграмма ее состояний представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Диаграмма состояний точки доступа

Точка доступа одновременно является клиентом в одной сети и точкой доступа в другой сети. Поэтому  диаграмма ее состояний будет включать, как диаграмму состояний  ДС терминала,  так и ДС точки доступа. ДС терминала аналогична представленной на рисунке 3. Исключением является  то, что вместо режима IDLE выступает режим ожидания сообщений. На рисунке 4 состояние Station указывает на то, что в данном случае модуль работает в сети как клиент. В режиме SOFT AP основное состояние – накопление данных. Периодически происходит передача РМ-сообщения (3) и возврат в режим ожидания сообщения (4).Также из состояния ожидания сообщения возможен переход в состояние приема заявки (11), откуда АР может перейти в состояние регистрации (7) или передачи данных (6). Из состояния передачи данных возможен  обратный переход в состояние приема заявки (9) или переход в основное состояние (8).

     Схему работы сети опишем, используя рисунок 5.

Рисунок 5 – Схема работы сети

  Для описания работы сети вводится понятие «оконечного устройства».

  Оконечные устройства можно разделить на две группы:

-устройства, с помощью которых пользователь может управлять подсистемами умного дома (например, реле);

-устройства, позволяющие пользователю получать сведения о состоянии умного дома (например, датчик температуры).

  Каждое  оконечное устройство подключается к устройству сети (терминал или АР) при помощи проводного интерфейса ( I2C, SPI, UART и др). Используемый проводной интерфейс определяется типом оконечного устройства.

  Так как в качестве АР выступает один из терминалов, к ней также может быть подключено оконечное устройство. Точка доступа и терминалы взаимодействуют по радиоинтерфейсу  (подразумевается взаимодействие как на физическом, так и на канальном уровне).

Используя DHCP сервер при регистрации, АР распределяет идентификаторы (IP) внутри сети. Идентификаторы применяются при обмене данными в сети с использованием TCP/IP соединения.

  Используя роутер, АР обменивается данными с пользователем, применяя HTTP GET запрос на облачный веб-сервер. Таким образом обеспечивается взаимодействие с пользователем.

 Список использованной литературы

1. Сайт разработчиков esp8266 

2.Широких/Ведяскина Компактная сеть радиодоступа (ч.1)

3.Курс лекций по СТПС

4.Радиосеть управления освещением с использованием технологии Wifi (esp8266) Часть 2