Курсовая работа по дисциплине:

«Системы и сети связи с подвижными объектами»

«Радиосеть сбора данных с подвижных станций. Часть 1».

Выполнил: студенты группы 319 Рыбаков Д.А., Трубников В.А.

Постановка задачи.

         Радиосеть предназначается для беспроводного сбора данных с подвижных объектов в процессе их движения по определенному маршруту. Точки доступа располагаются вдоль трассы предполагаемого движения подвижного объекта и обеспечивают получение оперативных данных с датчиков, расположенных на подвижных объектах.

Основные требования к системе:

Радиус зоны радиопокрытия терминала: 200м

Вероятность ошибки на бит Pb: 3*10-6

Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 150 мВт

 

Анализ предполагаемой архитектуры.

 

         Система предназначена для обеспечения беспроводного сбора данных с подвижных объектов (участников марафонских велосоревнований) с целью фиксации факта их прохождения через контрольные точки, сбор данных о скорости, пульсе участников. Особенностью системы является одновременное обслуживание нескольких подвижных объектов, малая мощность излучения терминалов.

         Устройством, обеспечивающим передачу данных в точке доступа (ТД), является терминал (Т) на запястье у спортсмена. ТД вещает в широкоформатном режиме информацию о сети. Инициатором начала передачи данных является сам терминал, после определения сети. После сбора информации от терминалов ТД  формирует сообщение, проверяет контрольную сумму и осуществляет их передачу в интернет облако-хранилище через интерфейс маршрутизации, где на сервере специально созданного сайта происходит их обработка и далее отображается информация о каждом участнике в режиме реального времени в виде таблицы. Доступ к настройкам сервера и изменение базы данных имеет только оператор сети. Среднее расстояние между ТД  предположим равным 1 км. Длина трассы 100 км. Количество участников – до 100.

Перед началом соревнований технический работник  (оператор консоли сервера) записывает в базу данных сервера необходимую информацию о каждом  участнике соревнований: ФИО, год рождения, страну участника. Программное обеспечение сервера присваивает каждому участнику уникальный ID, автоматически регистрирует все терминалы в сети и формирует файл прошивки терминала. После этого оператор через USB порт прошивает память терминала файлом, содержащим ID присвоенного терминалу, ID сети в которой терминал может вещать, ID всех ТД. После этого данные обо всех зарегистрированных терминалах ПО сервера рассылает на все ТД.

Для более экономного энергопотребления точек доступа предлагается следующий принцип их работы: перед стартом соревнований сервер вводит все ТД в пассивное состояние – без вещания несущей, кроме первой и второй точки доступа. После регистрации лидирующего участника соревнований  в сети второй точки доступа и отправки информации во внешнюю сеть, сервер отправляет информацию на третью точку доступа о включении вещания несущей.  После того как все зарегистрированные участники передали данные в сеть ТД переходит в пассивный режим, характеризующийся отключением вещания несущей и пассивным режимом приёма информации от сервера.

Средняя скорость движения велосипедиста 25 км/ч. Так как радиус зоны покрытия терминала 200 м легко рассчитать примерное время нахождения велосипедиста в зоне действия одной ТД и, соответственно, рассчитать необходимые параметры передачи.   Для более точных показаний и для более детальных графиков показателей здоровья участников Т должен передавать информацию раз в 5 секунд.

         Архитектуру решения представим на рисунке 1.

Рисунок 1 - архитектура построения сети.

Пользователи проектируемой радиосети могут получить данные о пульсе и скорости велогонщика помимо таблицы в виде графиков, для удобства восприятия и для дальнейшего медицинского анализа их состояния. Графики будут строиться ПО сервера по мере поступления информации. Для определения локации участника на сайте будет отображаться интерактивная карта, которая покажет, в зоне действия какой ТД находится тот или иной участник.

 

Состав сетевого терминала.

 

Для того, что бы осуществлялась беспроводная передача данных от Т к ТД и обратно по каналу связи и для реализации сценария взаимодействия ТД-Т, Т-ТД в терминале будет присутствовать радиомодуль.

Данные с датчиков будут храниться в регистрах памяти микроконтроллера, с размером несколько десятков байт:

       I.            Данные о среднем показателе пульса за 10 секунд (для более точных показателей) и давлении. Датчики пульса и давления снимает показатели, а МК пересылает их на радиомодуль для отправки по радиоканалу.

    II.            Данные о скорости движения велосипедиста. Этот датчик будет измерять скорость велосипедиста за 10 секунд и, соответственно, будет находиться на колесе велосипеда. Для снятия с него показаний в терминале предусмотрим микросхему BLE, которая будет опрашивать этот датчик и так же передавать данные на радиомодуль для передачи.

 III.            ID терминала и сети. Эти данные будут прошиты в Т на этапе регистрации в соревнованиях.

IV.            ID всех ТД. Нужны для того, чтобы терминалы могли сами рассчитывать и отображать информацию о количестве пройденных и оставшихся ТД.

Наличие микроконтроллера обусловлено необходимостью управления блоком питания, датчиком пульса, давления и микросхемой BLE, пересылкой данных от датчиков в микросхему памяти, управлением режима батареи и режимом работы Т.

На терминале предусмотрен ЖК индикатор, который уведомляет участника соревнований об уровне заряда батареи, уровне сигнала, о количестве пройденных и оставшихся ТД (рис. 2).


Рисунок 2 - внешний вид терминала.

Входя в зону действия ТД, терминалы обрабатывают информацию об уникальном ID ТД, которую получают из BCCH. Во-первых, рассчитывают количество пройденных ТД и количество оставшихся ТД до финиша (эти данные МК терминала рассчитывает исходя из списка всех ТД, записанных в него на этапе регистрации соревнований). Во-вторых, для исключения ситуации когда участник соревнований по каким либо причинам слишком долго находится в зоне действия ТД, ограничим количество циклов передачи  данных в зоне действия одной ТД 20 разами. Дистанция соревнований будет спроектирована таким образом, чтобы участники не проходили одну и ту же ТД несколько раз, то есть маршрут не закольцован. Если участник соревнований не находился в зоне действия всех ТД последовательно и не передавал в них информацию, значит он срезал маршрут и исключается из соревнований.

Состав сетевого терминала представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - состав сетевого терминала

При ухудшении показателей здоровья, либо ЧП во время соревнований сервер формирует тревожное сообщение для терминала автоматически, либо тренер команды данного спортсмена вручную посылает сигнал тревоги на выбранный терминал. Сервер вычисляет в зоне какой ТД находится спортсмен. Сообщение отправляется на две ТД: в зоне которой находится  Т и следующей ТД, если Т выйдет из зоны действия предыдущей ТД. Получая сообщение от ТД микроконтроллер терминала подаёт команду на звуковой динамик и на ЖК индикатор и участник слышит громкий или прерывистый звуковой сигнал, который оповещает его:

                              I.            терминал продолжает работать в обычном режиме передачи сообщений трафика;

                        II.             показатели здоровья подходят к критическому уровню. При этом на экране периодически высвечивается: «Показатели здоровья ухудшаются» и 3 раза издается прерывистый сигнал;

                        III.            показатели здоровья на критическом уровне, но тренер участника принял решения продолжать соревнования. На экране появляется: «Показатели критические. Продолжать соревнование» + 6 раз издаётся прерывистый сигнал;

                        IV.            показатели здоровья на критическом уровне, тренер принял решение завершить соревнования. Экран терминала мерцает красным светом + 30 секунд издаётся громкий непрерывный звуковой сигнал и терминал отключается;

                        V.            во время соревнований произошло ЧП и принято решение об их остановке. На экране высвечивается сообщение ЧП, издаётся громкий сигнал оповещения в течении 30 секунд, после чего терминал отключается.

Анализ видов сообщений и  их структура

В ходе соревнований в зоне действия одной ТД могут находиться до 100 терминалов, которые должны одновременно осуществить передачу данных. В проектируемой системе доступ к радио среде реализуем на основе временного разделения канала TDMA. ТД непрерывно излучает широковещательную информацию о себе, которая предназначается всем Т и содержит ID сети и ID ТД.  По ID сети терминал определяет, что необходимо передавать данные именно в этой сети. Если несколько Т одновременно начинают  передачу данных в подканале, то устранение коллизий происходит по протоколу множественного доступа S-Aloha, который использует синхронизацию по времени и будет описан в последующих пунктах. Терминалы, проигравшие в борьбе за подканал, через случайные интервалы времени опять начинают  передачу данных.

Терминал, победивший в борьбе за подканал, передаёт данные, которые содержат в себе информацию о показателях спортсмена. При получении данных ТД осуществляет проверку их целостности. Если контрольная сумма совпала, то ТД отправляет флаг об успешном приёме, если нет – флаг приёма сообщения с ошибкой. Ели данные приняты без ошибок, то ТД фиксирует время их поступления, и отправляет в облако.

Подробную структуру информационных сообщений рассмотрим на канальном уровне.

Если данные были переданы с ошибкой и терминал принял флаг ошибки, Т незамедлительно снова вступает в конкурентный доступ за подканал и снова передаёт те же данные. После того как Т передаст накопленные данные и убедится в их правильном получении, он должен перейти в  пассивный режим минимального потребления энергии. При этом из его регистра удаляются все ранее записанные данные. По истечении времени, который ведёт МК, Т должен включиться и заново осуществлять поиск широковещательной несущей. В ПО терминала заложено то, что Т должен не менее 10 но и не более 20 раз осуществить передачу данных на одну  ТД, чтобы избежать зависания сети.

Анализ "жизненного цикла" сообщений - от события, инициирующего появление сообщения, до момента его исполнения на приемной стороне приведён на рисунке 4.

Рисунок 4 - анализ видов информационных сообщений.

 

Характеристика целевого ПО терминала

В ходе соревнований в зоне действия одной ТД могут находиться до 100 терминалов, которые должны одновременно осуществить передачу данных. В проектируемой системе доступ к радио среде реализуем на основе временного разделения канала TDMA. ТД непрерывно излучает широковещательную информацию о себе, которая предназначается всем Т и содержит ID сети и ID ТД.  По ID сети терминал определяет, что необходимо передавать данные именно в этой сети. Если несколько Т одновременно начинают  передачу данных в подканале, то устранение коллизий происходит по протоколу множественного доступа S-Aloha, который использует синхронизацию по времени и будет описан в последующих пунктах. Терминалы, проигравшие в борьбе за подканал, через случайные интервалы времени опять начинают  передачу данных.

Терминал, победивший в борьбе за подканал, передаёт данные, которые содержат в себе информацию о показателях спортсмена. При получении данных ТД осуществляет проверку их целостности. Если контрольная сумма совпала, то ТД отправляет флаг об успешном приёме, если нет – флаг приёма сообщения с ошибкой. Ели данные приняты без ошибок, то ТД фиксирует время их поступления, и отправляет в облако.

Подробную структуру информационных сообщений рассмотрим на канальном уровне.

Если данные были переданы с ошибкой и терминал принял флаг ошибки, он незамедлительно снова вступает в конкурентный доступ за подканал и снова передаёт те же данные. После того как Т передаст накопленные данные и убедится в их правильном получении, он должен перейти в  пассивный режим минимального потребления энергии. При этом из его регистра удаляются все ранее записанные данные. По истечении времени, который ведёт МК, Т должен включиться и заново осуществлять поиск широковещательной несущей. В ПО терминала заложено то, что Т должен не менее 10 но и не более 20 раз осуществить передачу данных на одну  ТД, чтобы избежать зависания сети.

ПО терминала будет состоять из модулей: управления параметрами радиосети и управления работой датчиков. Задачи, решаемые этими модулями, проиллюстрируем на рисунке 5.

       

Рисунок 5 - ПО терминала.

 

Иерархическая модель объектов радиосети

Главная радача построения данной радиосети сбора данных с ПО – это вывод информации с датчиков терминалов, в масштабе времени приближенном к реальному, на сайт сбора информации и определение в зоне действия какой ТД находится участник соревнований. И предоставление этих данных всем желающим. С учётом этого обобщенная иерархическая схема примет вид, представленный на рисунке 6.

Рисунок 6 – иерархическая модель сети

Наиболее подробную структуру сети изобразим на рисунке 7. На физическом уровне L1 для пересылки двоичных радиосимволов. На канальном уровне L2 обеспечивается взаимодействие физического уровня и контроируются ошибки, которые могут возникнуть при передаче. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, канальный уровень упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень взаимодействует с физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Сетевой уровень определяет  передачу данных в сеть Internet. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, отслеживание неполадок и «заторов» в сети. Протокол сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю.

Рисунок 7 – обобщенная структура сети

 

 

Список используемой литературы:

1.     http://omoled.ru/publications/view/313

2.     http://omoled.ru/publications/view/450

3.     http://omoled.ru/publications/view/75