Kireev A.O., Svetlov A.V. BEZDRÔTOVÉ SENZOROVÉ SIETE V OBLASTI OCHRANNÝCH TECHNOLÓGIÍ

Dobre zavedený pojem „bezdrôtová senzorová sieť“ (WSN) označuje novú triedu bezdrôtových systémov, ktoré sú distribuovanou, samoorganizujúcou sa sieťou miniatúrnych elektronických zariadení s odolnosťou voči chybám. autonómne zdroje výživa. Inteligentné uzly takejto siete sú schopné prenášať správy pozdĺž reťazca, čím poskytujú významnú oblasť pokrytia systému s nízkym výkonom vysielača a následne vysokou energetickou účinnosťou systému.

V súčasnosti sa veľká pozornosť venuje organizácii automatizovaného monitorovania území s cieľom získať operatívne informácie o prítomnosti narušiteľa, jeho pohybe a neoprávnených akciách na územiach susediacich s mimoriadne dôležitými (jadrovými, vládnymi, vojenskými) zariadeniami, so štátom hranice, alebo sa nachádzajú v zóne zodpovednosti prieskumných pododdielov (monitorovanie predných úsekov, zadná komunikácia nepriateľa). Na racionálne riešenie týchto problémov je potrebné použiť novú generáciu technických prostriedkov a algoritmov, ktoré sa zásadne líšia od súčasných. Najsľubnejším smerom v tejto oblasti by malo byť vytvorenie bezdrôtových senzorových sietí. Umožňujú zabezpečiť celkový cielený monitoring rozsiahlych území.

S ohľadom na bezpečnostné systémy objektov musí WSS odhaliť a klasifikovať narušiteľa, určiť súradnice a predpovedať trajektórie jeho pohybu. Vďaka distribuovanej inteligencii systém nezávisle zabezpečuje zmenu smeru informačných tokov, napríklad obchádza zlyhané alebo dočasne nefunkčné uzly, organizuje spoľahlivý prenos informácií na celom kontrolovanom území a do centrálneho bodu.

Sľubné sú aj WSN, v ktorých vysielač/prijímač každého snímača bude v skutočnosti snímačom detekcie objektov (efekt zníženia úrovne nosnej v rádiovom kanáli v dôsledku objavenia sa objektu v oblasti pokrytia siete).

Pre zabezpečenie vysokej spoľahlivosti a ochrany prenášaných informácií vo WSN je potrebné vyvinúť vlastné rádiové protokoly, ktoré sú odolné voči zmenám charakteristík komunikačného kanála, rádiovému rušeniu, odpočúvaniu a imitácii dát. V tomto prípade je vhodné použiť technológie šírenia spektra – metódy DSSS (priama numerická postupnosť) a FHSS (frequency hopping).

Čo sa týka mechanizmov prístupu k médiu na prenos dát, objavujú sa vzájomne sa vylučujúce požiadavky na vysokú energetickú efektívnosť systému a minimálne časové oneskorenia šírenia dát vo WSN. Používanie CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Media Access with Collision Avoidance) ako základného algoritmu má svoju nevýhodu – sieťové zariadenia musia byť v režime neustáleho počúvania vzduchu, čo vedie k zvýšeniu spotreby energie. V úplne asynchrónnych sieťach je tento algoritmus neefektívny.

Najprijateľnejším v takejto situácii je „slot“ algoritmus CSMA / CA, ktorý kombinuje princípy synchronizovaného prístupu (časové delenie TDMA) a prístupu na konkurenčnom základe.

Spomedzi otvorených štandardov v oblasti bezdrôtových senzorových sietí bol doteraz ratifikovaný iba štandard ZigBee založený na predtým prijatom štandarde 802.15.4, ktorý popisuje fyzickú vrstvu (PHY) a vrstvu prístupu k médiám (MAC) pre bezdrôtové osobné siete (WPAN). Táto technológia bola pôvodne vyvinutá pre úlohy, ktoré nevyžadujú vysoké rýchlosti prenos informácií. Zariadenia takýchto sietí by mali byť čo najlacnejšie, s ultranízkou spotrebou energie.

Medzi nepochybnými výhodami riešení ZigBee je potrebné poznamenať aj významné nevýhody. Napríklad prítomnosť troch rôznych tried zariadení (koordinátorov, smerovačov a koncových zariadení) výrazne znižuje chybovosť siete v prípade zlyhania jej jednotlivých prvkov. Takáto konštrukcia navyše vyžaduje plánovanie umiestnenia zariadení v štádiu návrhu systému, čím sa výrazne znižuje odolnosť siete voči zmenám v topológii.

Všetky tieto nedostatky sú zbavené sietí Mesh - viacbunkových sietí peer-to-peer, v ktorých každý uzol môže prenášať pakety počas doručovania. Uzly takejto siete sú rovnaké a zameniteľné - výsledkom je zlepšenie škálovateľnosti systému a zvýšenie jeho odolnosti voči chybám.

Bezdrôtová senzorová sieť bezpečnostný systém musí ovládať čo najväčšie územie. V tomto smere je jednou z hlavných požiadaviek na výber elementovej základne pre vytvorenie rádiového kanála medzi jednotlivými sieťovými uzlami maximálny komunikačný dosah. Prevádzka vo frekvenčnom pásme 433 MHz (otvorená na bezplatné použitie v Rusku) má množstvo výhod oproti prevádzke v mikrovlnnom pásme 2,4 GHz (pre ktoré sa vyrába hlavný sortiment zariadení ZigBee). Takže v pásme 433 MHz je spoľahlivý komunikačný dosah niekoľkonásobne väčší ako v pásme 2,4 GHz pri rovnakom výkone vysielača. Okrem toho zariadenia pracujúce v pásme 433 MHz majú pomerne dobrú odolnosť voči pôsobeniu prekážok v dráhe rádiových vĺn, ako sú zrážky, zmeny terénu, stromy a pod. ako tunely metra, mestské ulice atď. ako rádiové vlny 2,4 GHz. Výhoda pásma 2,4 GHz v rýchlosti prenosu dát nie je v oblasti bezpečnostných technológií kritická, pretože množstvo prenášaných informácií je zvyčajne nevýznamné a obmedzené na desiatky bajtov (s výnimkou telemetrie).

Výber transceivera pre lokalitu WSN na ochranu objektov sa teda uskutoční v pásme 433 MHz. Transceivery musia mať vysokú energetickú účinnosť (napájacie napätie nie viac ako

3,3 V, prúdy s nízkou spotrebou), pracujú v teplotnom rozsahu mínus 40 ... +85 °С.

Medzi mnohými ISM transceivery IC, XE-MICS transceivery zaujímajú špeciálne miesto. Pre použitie v bezdrôtových senzorových sieťach sú vhodné 2 čipy od tejto spoločnosti: XE1203F a

Ide o integrálne jednočipové poloduplexné transceivery postavené podľa schémy priamej (Zero-IF) konverzie, ktoré poskytujú 2-úrovňové kľúčovanie s frekvenčným posunom bez fázového prerušenia (CPFSK) a kódovanie NRZ. Typ nosnej modulácie implementovaný v transceiveroch XEMICS teda umožňuje racionálne využívať prevádzkové frekvenčné pásmo.

Spoločné pre transceivery XE1203F a XE1205F sú ultranízka spotreba energie: prevádzka v rozsahu napájacieho napätia 2,4 ... 3,6 V, odberové prúdy:

0,2 µA v režime spánku;

14 mA v režime príjmu;

62 mA vo vysielacom režime (+15 dBm) .

Pracovné frekvenčné pásmo: 433-435 MHz. Teplotný rozsah: mínus 40. +85°С. Prijímače transceiverov

Presvedčenia sú navzájom identické a sú zostavené podľa schémy priamej konverzie frekvencie. V týchto moduloch je zabudovaný frekvenčný syntetizátor založený na sigma-delta PLL s krokmi 500 Hz.

Prijímače majú indikátor úrovne prijímaného signálu RSSI (Received Signal Strength Indicator), ktorý v kombinácii s možnosťou programovania výstupného výkonu umožňuje realizovať myšlienku adaptívneho riadenia napájania. Transceiver obsahuje frekvenčné kontrolné zariadenie FEI (Frequency Error Indicator), ktoré umožňuje získať informácie o frekvenčnom posune lokálneho oscilátora prijímača a organizovať AFC.

Transceivery majú tiež funkciu rozpoznávania vzorov, ktorá umožňuje transceiveru detekovať programovateľné slovo (až 4 bajty) v prijatom dátovom toku. posledná vlastnosť možno použiť na identifikáciu modulov vo WSN, čo zníži počet réžie bajtov v prenášanom pakete.

Hlavné rozdiely medzi týmito dvoma modulmi sa prejavujú v použití rôzne metódy rozšírenie spektra.

Transceiver XE1203F má hardvérový blok DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Keď je aktivovaný režim DSSS, každý dátový bit je zakódovaný 11-bitovým Barkerovým kódom: 101 1011 1000 alebo 0x5B8h. Autokorelačná funkcia Barkerovho kódu má výrazný autokorelačný vrchol.

Na rozdiel od XE1203F je transceiver XE1205F (a na ňom založený modul DP1205F) úzkopásmové zariadenie. Najmenšia hodnota interného pásmového filtra, ktorú je možné nastaviť pomocou 2-bitového konfiguračného registra, je 10 kHz (pomocou špeciálneho dodatočné nastavenia, táto hodnota môže byť dokonca znížená na 7 kHz!). Počet možných kanálov v tomto prípade

Táto schopnosť umožňuje XE1205F použiť pre špecifické úzkopásmové aplikácie. Zúženie pásma je možné použiť, ak rýchlosť prenosu dát a odchýlka frekvencie nepresiahne 4800 bitov a 5 kHz, a za predpokladu, že taktovací kmitočet referenčného oscilátora je stabilizovaný rezonátorom s vysokou stabilitou, alebo sa použije frekvenčná korekcia.

Transceiver používa 16-bajtový FIFO na ukladanie dátových bajtov prenášaných alebo prijatých. Dátové bajty sa prenášajú a prijímajú z vyrovnávacej pamäte FIFO cez externý štandardný 3-vodič sériové rozhranie SPI.

Úzke pásmo, ako aj krátky čas obnovy vysielača pri prepínaní medzi kanálmi (~150 µs), umožňujú použiť transceiver XE1205F na budovanie rádiových systémov pomocou metódy frekvenčného skoku (FHSS). Metóda preskakovania frekvencie znamená, že celá šírka pásma pridelená na prenos je rozdelená do určitého počtu frekvenčných kanálov. Skoky z kanála na kanál sa vyskytujú synchrónne v určitej sekvencii (napríklad lineárne alebo pseudonáhodné).

XE1205F tiež ťaží z prvotriednej citlivosti prijímača -121 dBm.

Čo sa týka rýchlostí prenosu dát, možnosti modulu XE1203F pri použití kodeku Barker sa zdajú nedostatočné aj pre bezpečnostné systémy – iba 1,154 kbps. Tento indikátor neumožní implementovať energeticky efektívne WSN, pretože čas spánku poskytovaný protokolom CSMA/CA bude príliš krátky.

Vysielače a prijímače uzlov bezdrôtovej senzorovej siete na ochranu objektov by mali poskytovať schopnosť:

vytvorenie sieťovej siete so zvýšeným rozsahom;

implementácie technológií šírenia spektra FHSS na fyzickej vrstve;

implementácia na úrovni prístupu do prostredia – „slot“ CSMA / CA so synchronizáciou prístupu.

Na základe vyššie uvedeného môžeme dospieť k záveru, že je vhodnejšie použiť modul transceivera XE1205F na organizáciu fyzických úrovní a úrovní MAC bezdrôtovej senzorovej siete na ochranu objektov.

LITERATÚRA

1. Varaguzin V. Rádiové siete na zber dát zo senzorov, monitorovanie a riadenie na základe štandardu IEEE 802.15.4 // TeleMultiMedia. - 2005.-№6.- С23-27. - www.telemultimedia.ru

2. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I., Portnoy S.L., Shakhnovich I.V. Širokopásmové bezdrôtové siete na prenos informácií. - M.: Technosféra, 2005 - 592 s.

3. Baskakov S., Oganov V. Bezdrôtové senzorové siete založené na platforme MeshLogic™ // Electronic

Komponenty. - 2006. - č.8. - S.65-69.

4. Goryunov G. Integrovaný mikrovlnný transceiver XE1203. // Svet elektronické komponenty. - 2004. - №1. -

Firemná verzia technológie internetu vecí (IoT) sa dnes v priemysle aktívne používa. Podnikový internet vecí (EIoT) využíva bezdrôtové senzorové siete a ovládacie prvky, aby podnikom poskytol nové spôsoby ovládania strojov a zariadení. Bezdrôtové senzory napájané malou batériou bez pripojenia ku káblovému zdroju je možné umiestniť v priemyselnom prostredí na miesta úplne neprístupné ovládacím prvkom predchádzajúcej generácie.

EIoT zvýšilo spoľahlivosť, bezpečnosť a interoperabilitu systémov a zariadení, aby spĺňali najprísnejšie požiadavky na implementáciu bezdrôtových technológií v tejto oblasti nielen v priemysle, ale aj v zdravotníctve, finančných službách atď. EIoT rieši potreby tieto oblasti čím technické údaje a dizajnové prvky tejto novej technológie sú oveľa lepšie ako podobné technológie internetu vecí tradičných zariadení navrhnutých pre menej kritické spotrebiteľské alebo komerčné aplikácie.

problémy EIoT

Senzory a ovládacie prvky s podporou EIoT môžu fungovať prakticky kdekoľvek priemyselné prostredie, no doteraz je to skôr o šťastí, keďže nie každé priemyselné zariadenie je ideálne na bezdrôtové použitie. Je to preto, že v nasadení IoT existujú dva vzájomne prepojené, ale zdanlivo protichodné prvky:

1. Samotná bezdrôtová sieť zariadení, ktorá je inštalovaná pomocou senzorov a ovládacích prvkov spojených s technológiou krátkeho dosahu s nízkou spotrebou energie.
2. Sieť IoT senzorov interagujúcich s inými zariadeniami, ovládačmi a časťami siete už na väčšiu vzdialenosť.

Ryža. 1. Aplikácie ďaleko od mestských centier a tradičné telekomunikačné služby môžu využívať energeticky efektívny komunikačný protokol, ako je LoRa na organizovanie globálnej siete

Práve nemožnosť spoľahlivej komunikácie na veľké vzdialenosti je často najvýznamnejšou prekážkou v priemyselnom prostredí. Tento problém má jednoduchú príčinu: telekomunikácie, ktoré sa vykonávajú po drôtových káblových vedeniach alebo pomocou prenosu signálu cez veže. celulárna komunikácia, nie je vždy k dispozícii na miestach priemyselných zariadení. Okrem toho náklady na používanie mobilných služieb iba na doručenie niekoľkých paketov dát zo senzorov v jednej komunikačnej relácii nedávajú veľký zmysel ani z ekonomického hľadiska, ani z čisto technických dôvodov. Okrem toho sa pomerne často vyskytuje problém s napájaním senzorov a komunikačných zariadení, čo je veľmi ťažké organizovať na odľahlých miestach, kde nie sú zariadenia alebo infraštruktúra napájané priamo z priemyselnej siete.

Napriek širokému pokrytiu mobilnou komunikáciou v osadách na niektorých miestach neexistuje spoľahlivá služba na organizovanie bezdrôtová komunikácia. Ide o bežný problém vo vidieckych oblastiach a odľahlých miestach priemyselných zariadení, ako sú izolované ropné a plynové zariadenia alebo potrubná doprava, vodovodné a odpadové systémy (obr. 1) atď. Takéto lokality sú tiež často vzdialené od najbližšieho technického servisu. personál, ktorý kontroluje správne fungovanie zariadení. Niekedy trvá inžinierovi celý deň, alebo dokonca niekoľko, kým sa dostane k zariadeniu a skontroluje ho. Často je ťažké a ľahké nájsť špecialistov ochotných pracovať v takýchto odľahlých oblastiach. Keďže v dôsledku obmedzeného komunikačného pokrytia sú senzory a ovládacie prvky s podporou EIoT na vzdialených miestach pomerne zriedkavé, na pomoc tu prichádzajú siete s nízkou spotrebou energie (LPWAN).

BLE a LPWAN

Najpoužívanejšie bezdrôtová technológia krátky dosah v systémoch EIoT je technológia Bluetooth s nízkou spotrebou energie - BLE (eng. Bluetooth nízka energie, tiež známy ako Bluetooth Smart). Hlavným dôvodom vysokej popularity BLE pre EIoT je jeho energetická účinnosť, ktorá umožňuje senzorom a ovládacím prvkom pracovať dlhú dobu s veľmi nízkou spotrebou batérie. BLE spravuje cykly spánku, pohotovostný režim a aktívne cykly. BLE je tiež široko používaný vďaka sile svojho RF signálu, ktorý umožňuje tejto technológii efektívne pracovať aj v náročných prostrediach so zvýšenou úrovňou vysokofrekvenčného šumu pochádzajúceho z digitálnych signálov z počítačového vybavenia a dokonca aj za prítomnosti fyzických prekážok šírenia rádiových vĺn. Ale ako viete, všetky tieto faktory sú v priemyselnom prostredí známe.

V projektoch na implementáciu EIoT je to práve technológia BLE, ktorá je základom pre organizovanie komunikácie na krátke vzdialenosti. Okrem toho je možné ho použiť ako na už prevádzkovaných, tak aj na komplexoch priemyselných zariadení, ktoré sa ešte len navrhujú. Takáto sieť zariadení s podporou BLE však potrebuje spôsob, ako prijímať pokyny a prenášať dáta na väčšie vzdialenosti. Spoliehanie sa na tradičnú telekomunikačnú infraštruktúru, ktorá umožňuje obojsmerné Wi-Fi alebo mobilné signály, nie je možné kvôli bariére, ktorá obmedzuje použitie týchto senzorových a riadiacich sietí. Kombináciou BLE s ultra-dosahom a energetickou účinnosťou technológie LoRa boli spoločnosti schopné nasadiť EIoT na miestach, kde nie je dostupná telekomunikačná infraštruktúra a energetická infraštruktúra, čo zase rozšírilo geografiu implementácie internetu. technológie vecí.

Ryža. 2. Senzory sú najprv pripojené k LoRa klientovi a potom cez LoRa bránu

Protokol LoRa WAN je často LPWAN, pretože poskytuje bezpečný obojsmerný prenos dát a komunikáciu so sieťami internetu vecí na veľké vzdialenosti po mnoho rokov bez výmeny batérie. Pri použití technológie LoRa je možné vysielať a prijímať signály na vzdialenosť až cca 16 km a v prípade potreby inštalované opakovače (opakovače) môžu túto vzdialenosť zvýšiť na stovky kilometrov. Na obr. Obrázok 2 ukazuje, ako funguje LoRa. Pre aplikácie internetu vecí má LoRa mnoho výhod práve kvôli svojim ekonomickým charakteristikám a schopnostiam:

• Keďže LoRa, podobne ako BLE, je technológia s veľmi nízkou spotrebou energie, je schopná fungovať v sieťach IoT zariadení napájaných z batérie a môže poskytnúť dlhú výdrž batérie bez nutnosti častej údržby.
• Uzly LoRa sú lacné a umožňujú spoločnostiam znížiť náklady na prenos dát cez mobilné systémy, ako aj eliminovať inštaláciu optických alebo medených káblov. To odstraňuje veľkú finančnú prekážku pri prepájaní vzdialene umiestnených senzorov a zariadení.
• Technológia LoRa funguje dobre sieťové zariadenia umiestnené vo vnútri, vrátane zložitých priemyselných prostredí.
• LoRa je vysoko škálovateľný a interoperabilný vďaka podpore miliónov uzlov a môže byť pripojený k verejným a súkromným dátovým sieťam a obojsmerným komunikačným systémom.

Takže zatiaľ čo iné technológie LPWAN budú schopné vyriešiť problém s dosahom komunikácie pri implementácii riešení IoT z dlhodobého hľadiska, technológia LoRa ponúka obojsmernú komunikáciu, ochranu proti rušeniu a vysoký informačný obsah.

LoRa má aj podstatnú nevýhodu – nízku priepustnosť. Preto nie je vhodný pre aplikácie vyžadujúce streamovanie dát. Toto obmedzenie však nebráni jeho použitiu pre širokú škálu IoT aplikácií, kde sa z času na čas prenášajú len malé dátové pakety.

Interakcia

Ryža. 3. Modul RM1xx od spoločnosti Laird, ktorý obsahuje komunikačné schopnosti pre bezdrôtové sieťové protokoly LoRa a Bluetooth

Potenciál LoRa sa zdvojnásobí, keď sa skombinuje s technológiou ako BLE. Spoločne poskytujú sadu bezdrôtových funkcií s mimoriadne nízkou spotrebou energie pre komunikáciu na krátke a dlhé vzdialenosti, ktoré zlepšujú možnosti sietí EIoT. Napríklad centrálna časť mestských oblastí môže byť pokrytá len niekoľkými bránami LoRaWAN, ktoré sú základom pre senzorové siete BLE, ktoré sú teraz nezávislé od tradičných telekomunikačných infraštruktúr. Symbióza LoRa a BLE teda odstraňuje množstvo prekážok pre expanziu internetu vecí v megacities aj malých mestách, ktoré majú bariéry brániace rozšírenej implementácii internetu vecí. Najväčším prínosom z kombinácie LoRA a BLE sú však bezdrôtové senzory, ovládače a ďalšie zariadenia, ktoré je dnes možné bez obmedzení inštalovať doslova kdekoľvek (obr. 3). Toto je zvláštna zásluha BLE. BLE tiež umožňuje týmto zariadeniam spolupracovať v integrovanej sieti krátkeho dosahu ovládanej napríklad zo smartfónov alebo tabletov, ktoré sa v tomto prípade využívajú ako vzdialené bezdrôtové displeje. V tomto balíku funguje ako druh technológie LoRa založená na mobilných schopnostiach BLE rádioreléová stanica, ktorý dokáže odosielať a prijímať dáta na veľké vzdialenosti. Navyše, tieto vzdialenosti možno zväčšiť jednoduchými bránami na prenos signálu.

Je ich už veľa dobré príklady, čo ukazuje, ako párovanie LoRa a BLE umožňuje sieťam EIoT dosiahnuť úplne iné technickej úrovni a zvýšte svoju expanziu.

Takmer všetky sféry života v 21. storočí závisia od informačných a komunikačných technológií (IKT). Dáta si vymieňajú nielen ľudia, ale aj všetky druhy inteligentných systémov, Mobilné telefóny, nositeľné zariadenia, bankomaty, senzory. K internetu vecí je už pripojených najmenej 5 miliárd zariadení. Prevádzka akýchkoľvek veľkých komplexov - podnikov priemyslu, energetiky, poľnohospodárstva, obchodných centier, múzeí, kancelárií, obytných budov - je spojená s neustálym monitorovaním situácie na ich území. Citlivé senzory v reálnom čase monitorujú stav zariadenia, organizáciu interakcie zariadení medzi sebou, upozorňujú na potrebu ich výmeny alebo na núdzové situácie. S rýchlo rastúcimi objemami dát je potrebný jednoduchý a pohodlný spôsob ich zdieľania medzi zariadeniami a dátovými centrami.

Verzia pre tlač:

Bezdrôtové senzorové siete (WSN, Wireless Sensor Networks), pozostávajúce z bezdrôtových senzorov a riadiacich zariadení a schopné samoorganizácie pomocou inteligentných algoritmov, predstavujú rozsiahle vyhliadky na monitorovanie ľudského zdravia. životné prostredie, fungovanie výrobných a dopravných systémov, účtovanie rôznych zdrojov a pod. Toto číslo spravodaja predstavuje technologické trendy v oblasti WSN súvisiace so zabezpečením nepretržitej prevádzky bezdrôtových senzorov a ich aplikáciou v dvoch oblastiach modernej ekonomiky - pokročilá výroba (pokročilá výroba) a „inteligentná » energia (inteligentná sieť).

Samonabíjacie dotykové zariadenia

Pre rozvoj bezdrôtových senzorových sietí je dôležité vyriešiť problém ich napájania. Sľubným trendom je vytváranie odolných autonómnych zariadení s minimálnou spotrebou energie – konvertovanej z externých zdrojov.

Bezdrôtové dotykové zariadenia môžu byť napríklad napájané rádiovou energiou odoslanou do nich z vysielača (ako sú zariadenia na rádiofrekvenčnú identifikáciu (RFID) alebo bezkontaktné čipové karty). Túto energiu zariadenie využíva ako na dobíjanie snímača, tak aj na generovanie signálu odozvy s informáciou o aktuálnom stave ovládaného objektu.

Ďalším spôsobom je pasívna premena energie z vonkajšie prostredie(energetický zber): solárny (mimo priestorov za pomerne jasného počasia), tepelný, energia mechanických vibrácií (z blízkych zariadení - montážne stroje, dopravníky a pod.), energia vibrácií samotného senzora (v prípade nositeľných zariadení ), rádiové emisie na pozadí z okolitých elektrických spotrebičov (vrátane Wi-Fi).

účinky Znížením vysoko toxického odpadu spotrebovaných zdrojov energie sa zníži negatívny vplyv na životné prostredie. Použitie samonabíjania dotykové zariadenia prispeje k rozvoju bezdrôtové zariadenia„internet vecí“, personalizovaná medicína (nositeľné a implantovateľné zariadenia, ktoré sledujú ukazovatele ľudského zdravia), ako aj technológie šetrné k životnému prostrediu (zelené technológie) v energetike, priemysle (najmä v nebezpečných odvetviach) a iných oblastiach.

Trhové odhady 30,1 miliardy Do roku 2020 bude na svete 30,1 miliardy bezdrôtových zariadení. Potenciálny podiel samonabíjacích zariadení dosiahne 30-65%. Maximálny prejav trendu sa predpokladá v rokoch 2020–2030.

Vodiči a závory Relevantnosť trendu neustále rastie vďaka miniaturizácii bezdrôtových zariadení a znižovaniu ich nákladov. Rozvoju smeru bráni nedostatočné množstvo energie v súčasných modeloch bezdrôtových senzorov konvertovaných z vonkajšieho prostredia, ktoré je potrebné na sledovanie stavu zložitých zariadení a periodické odosielanie informácií do centra spracovania dát.

Realizácia pokročilej výroby na báze bezdrôtových senzorových sietí

Iracionálne využívanie zdrojov a výrobných kapacít, produkcia veľkého množstva znečisťujúcich odpadov, nedostatok neustáleho monitorovania stavu zariadení v podnikoch – tieto a ďalšie problémy moderného priemyslu stimulujú prechod na pokročilý výrobný model. Charakterizuje ho používanie nových materiálov a technológií šetrných k životnému prostrediu (zelené technológie), ako aj rozšírené využívanie IKT a inteligentných systémov, najmä robotiky a bezdrôtových senzorových sietí.

Priemyselné bezdrôtové senzorové siete (IBSS, Industrial Wireless Sensor Networks) – najdôležitejší faktor pri zavádzaní pokročilej výroby. Sada vzájomne prepojených bezdrôtových senzorov a informačné systémy, ktoré spracúvajú dáta zo senzorov a interagujú s riadenými objektmi pomocou riadiacich zariadení. Takýto automatizovaný systém reaguje na akékoľvek zmeny ukazovateľov v podniku, upozorňuje zamestnancov na havárie a problémové situácie, analyzuje efektívnosť využívania zariadení, hodnotí mieru znečistenia životného prostredia a množstvo vyprodukovaného odpadu.

účinky Zavedením modernej výroby sa zvýši efektívnosť, presnosť a flexibilita riadenia procesov vo veľkých podnikoch a kvalita výrobkov, vyriešia sa otázky optimalizácie zdrojov a identifikácie úzkych miest. Minimalizácia rizík vo výrobe (vďaka jej väčšej automatizácii) a zníženie emisií výrazne zníži priemyselnú záťaž životného prostredia.

Trhové odhady 3,8 miliardy dolárov v roku 2017 dosiahne veľkosť trhu priemyselných bezdrôtových senzorových sietí. Masové rozloženie IBSS sa predpokladá v rokoch 2017–2020.

Vodiči a závory Vývoj samonabíjacích senzorových zariadení, prechod na digitálne riadenie výrobné zariadenia, masové zavádzanie robotických systémov stimuluje rozvoj trendu. Nedostatočná štandardizácia bezdrôtových senzorových sietí a zastaraná infraštruktúra IKT v mnohých priemyselných podnikoch spomaľujú prechod na pokročilý výrobný model.

"Inteligentné" mriežky

Globálny problém iracionálneho využívania elektriny je obzvlášť dôležitý pre Rusko. Vysoké náklady na výrobu elektriny zvyšujú náklady na výrobu, čo dvojnásobne zaťažuje koncového spotrebiteľa. Na zlepšenie efektívnosti a spoľahlivosti energetických systémov mnohé krajiny smerujú ku koncepcii „inteligentných“ energetických sietí (smart grid).

Takáto sieť spravuje v reálnom čase všetky k nej pripojené výrobné zdroje, hlavné a distribučné siete a zariadenia, ktoré spotrebúvajú elektrickú energiu. Na riadenie inteligentnej siete sa používajú bezdrôtové senzorové siete, ktoré riadia objem výroby energie a spotrebu energie v jej rôznych častiach. Pomocou informačných systémov sa vypočítava optimálne rozloženie energie v sieti, robia sa predpovede pre rôzne ročné obdobia a obdobia dňa, synchronizuje sa výroba a dodávka energie a monitoruje sa bezpečnosť elektrických vedení. Pre zvýšenie účinnosti elektrickej siete sú jej nekritické prvky na dobu zníženej aktivity vypnuté.

účinky Nepretržité monitorovanie a kontrola zariadení v napájacom systéme znižuje výpadky prúdu. Výrazná úspora nákladov pri jeho výrobe vedie k pozitívnym efektom pre priemysel, sociálnu sféru a životné prostredie (v súčasnosti je v Rusku podiel energie na znečistení ovzdušia 26,8 % - maximálna hodnota v porovnaní s inými oblasťami).

Trhové odhady 63 miliárd dolárov do roku 2020 bude veľkosť globálneho trhu s technológiami inteligentných sietí s priemernou ročnou mierou rastu viac ako 8 %. 2018 – 2025 - obdobie maximálneho prejavu trendu.

Vodiči a závory Zavádzanie prísnejších environmentálnych predpisov a noriem tento trend zrýchľuje. Správnym momentom pre zavedenie inteligentnej siete v Rusku je plánovaná obnova infraštruktúrnych zariadení elektroenergetiky. Prechod na koncept inteligentnej siete komplikuje veľký rozsah priemyslu, vysoké náklady a značný čas vynaložený na jeho technologickú obnovu. Periodické odstávky elektrární pri modernizácii energetických sietí sú problémom pre spotrebné spoločnosti.

Sledovanie globálnych technologických trendov realizuje Ústav štatistického výskumu a ekonomiky poznania Vysokej školy ekonomickej () v rámci Programu základného výskumu Vysokej školy ekonomickej Národnej výskumnej univerzity.

Pri príprave trendlettera boli použité tieto zdroje: Prognóza vedeckého a technologického rozvoja Ruskej federácie do roku 2030(prognoz2030.hse.ru), materiály vedeckého časopisu "predvídavosť"(foresight-journal.hse.ru), údaje web vedy, Orbit, idc.com, marketsandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru atď.

Architektúra typickej bezdrôtovej senzorovej siete

Bezdrôtová senzorová sieť je distribuovaná, samoorganizujúca sa sieť mnohých senzorov (senzorov) a akčných členov, vzájomne prepojených rádiovým kanálom. Okrem toho sa oblasť pokrytia takejto siete môže pohybovať od niekoľkých metrov do niekoľkých kilometrov v dôsledku schopnosti prenášať správy z jedného prvku do druhého.

História a rozsah

Za jeden z prvých prototypov senzorovej siete možno považovať systém SOSUS, určený na detekciu a identifikáciu ponoriek. Technológie bezdrôtových senzorových sietí sa začali aktívne rozvíjať relatívne nedávno - v polovici 90-tych rokov. Až na začiatku 21. storočia však rozvoj mikroelektroniky umožnil vyrobiť celkom lacnú základňu prvkov pre takéto zariadenia. Moderné bezdrôtové siete sú založené hlavne na štandarde ZigBee. Značný počet priemyselných odvetví a trhových segmentov (výroba, rôzne druhy doprava, podpora života, bezpečnosť) pripravené na implementáciu senzorových sietí a tento počet sa neustále zvyšuje. Trend je spôsobený komplikovanosťou technologických procesov, rozvojom výroby, rozširujúcimi sa potrebami jednotlivcov v segmentoch bezpečnosti, kontroly zdrojov a využívania zásob. S rozvojom polovodičových technológií sa objavujú nové praktické úlohy a teoretické problémy súvisiace s aplikáciami senzorových sietí v priemysle, bývaní a komunálnych službách a domácnostiach. Použitie lacných bezdrôtových senzorových riadiacich zariadení otvára nové oblasti pre aplikáciu telemetrických a riadiacich systémov, ako sú:

• Včasná detekcia možných porúch akčných členov na kontrolu takých parametrov, ako sú vibrácie, teplota, tlak atď.;
• Riadenie prístupu v reálnom čase do vzdialených systémov monitorovaného objektu;
  • zabezpečenie ochrany múzejných hodnôt
  • účtovanie exponátov
  • automatická revízia exponátov
• Automatizácia kontroly a údržby priemyselných aktív;
• Správa komerčných aktív;
• Aplikácia ako komponenty v technológiách šetriacich energiu a zdroje;
• Kontrola ekologických parametrov prostredia

Je potrebné poznamenať, že napriek dlhej histórii senzorových sietí sa koncepcia budovania senzorovej siete nakoniec nevytvorila a nebola vyjadrená v určitých softvérových a hardvérových (platformových) riešeniach. Implementácia senzorových sietí v súčasnej fáze do značnej miery závisí od špecifických požiadaviek priemyselnej úlohy. Implementácia architektúry, softvéru a hardvéru je v štádiu intenzívneho formovania technológie, čo priťahuje pozornosť vývojárov, aby hľadali technologické miesto pre budúcich výrobcov.

Technológia

Bezdrôtové senzorové siete (WSN) pozostávajú z miniatúrnych výpočtových zariadení - motes, vybavených senzormi (snímače teploty, tlaku, svetla, úrovne vibrácií, polohy atď.) a vysielačmi a prijímačmi signálu pracujúcimi v danom rádiovom dosahu. Flexibilná architektúra, znížené inštalačné náklady odlišujú bezdrôtové inteligentné senzorové siete od iných bezdrôtových a káblových rozhraní na prenos dát, najmä ak ide o veľký počet vzájomne prepojených zariadení, senzorová sieť umožňuje pripojiť až 65 000 zariadení. Neustále znižovanie nákladov na bezdrôtové riešenia, zvyšovanie ich prevádzkových parametrov umožňuje postupné preorientovanie sa od káblových riešení v systémoch pre zber telemetrických dát, diaľkovú diagnostiku a výmenu informácií. „Zmyslová sieť“ je dnes už zabehnutý pojem. Senzorové siete), označujúce distribuovanú, samoorganizujúcu sa sieť jednotlivých prvkov bez dozoru odolnú voči poruchám a nevyžadujúcu žiadnu špeciálnu inštaláciu zariadení. Každý uzol siete senzorov môže obsahovať rôzne senzory pre riadenie prostredia, mikropočítač a rádiový transceiver. To umožňuje zariadeniu vykonávať merania, nezávisle vykonávať počiatočné spracovanie údajov a udržiavať komunikáciu s externým informačným systémom.

802.15.4/ZigBee prenosová rádiová technológia krátkeho dosahu, známa ako "Sensor Networks" WSN - Wireless Sensor Network), je jedným z moderných smerov vo vývoji samoorganizujúcich sa distribuovaných systémov odolných voči chybám na monitorovanie a riadenie zdrojov a procesov. Bezdrôtová sieťová technológia senzorov je dnes jedinou bezdrôtovou technológiou, ktorá dokáže vyriešiť úlohy monitorovania a riadenia, ktoré sú rozhodujúce pre dobu prevádzky senzorov. Senzory spojené do bezdrôtovej senzorovej siete tvoria územne distribuovaný samoorganizujúci sa systém na zber, spracovanie a prenos informácií. Hlavnou oblasťou použitia je kontrola a monitorovanie meraných parametrov fyzických médií a objektov.

Prijatý štandard IEEE 802.15.4 popisuje riadenie prístupu k bezdrôtovému kanálu a fyzickú vrstvu pre nízkorýchlostné bezdrôtové osobné siete, to znamená dve nižšie vrstvy podľa modelu siete OSI. „Klasická“ architektúra senzorovej siete je založená na typickom uzle, ktorý zahŕňa príklad typického uzla RC2200AT-SPPIO:

• rádiová cesta;
• modul procesora;
• batéria;
• rôzne senzory.

Typický uzol môžu predstavovať tri typy zariadení:

• Sieťový koordinátor (FFD – Fully Function Device);
  • vykonáva globálnu koordináciu, organizáciu a nastavenie parametrov siete;
  • najkomplexnejšie z troch typov zariadení vyžadujúce najviac pamäte a napájania;

• Zariadenie s úplnou sadou funkcií (FFD - Fully Function Device);
  • podpora pre 802.15.4;
  • dodatočná pamäť a spotreba energie vám umožňuje pôsobiť ako sieťový koordinátor;
  • podpora všetkých typov topológií ("bod-bod", "hviezda", "strom", "sieťová sieť");
  • schopnosť pôsobiť ako sieťový koordinátor;
  • možnosť prístupu k iným zariadeniam v sieti;
• (RFD - Reduced Function Device);
  • podporuje obmedzenú sadu funkcií 802.15.4;
  • podpora bod-bod, hviezdicové topológie;
  • nevystupuje ako koordinátor;
  • zavolá sieťovému koordinátorovi a smerovaču;

Poznámky

1. 1 2 3 Ragozin DV Modelovanie synchronizovaných senzorových sietí. Problémy s programovaním. 2008. Číslo 2-3. Špeciálne vydanie - 721-729 s.
2. Baranova E. IEEE 802.15.4 a jeho softvérový doplnok ZigBee. // Telemultimédiá, 8. máj 2008.
3. Levis P., Madden S., Polastre J. a dr. „TinyOS: Operačný systém pre bezdrôtové senzorové siete“ // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (eds.) // In Ambient Intelligence. - New York, NY: Springer-Verlag, 2005. - 374 s.
4. Algoritmické akcepty bezdrôtových senzorových sietí. // Miroslaw Kutulowski, Jacek Cichon, Przemislaw Kubiak, Eds. – Poľsko, Wrozlaw: Springer, 2007.
5. Inteligentné systémy založené na senzorových sieťach. - www.ipmce.ru/img/release/is_sensor.pdf // Inštitút jemnej mechaniky a počítačového inžinierstva pomenovaný po A.I. S.A. Lebedev RAN, 2009.
6. Kompletne hotové moduly ZigBee od RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Komponenty a technológie.
7. Zásobník protokolov ZigBee/802.15.4 na platforme Freescale Semiconductor – www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004

Stiahnuť ▼
Tento abstrakt je založený na

Blíži sa deň, kedy budú stovky miliónov polovodičových senzorov integrované do všetkého, čo je možné, od prívesku na kľúče až po detský kočík. A všetky z nich budú schopné nielen pôsobiť ako inteligentné senzory, ale aj vykonávať primárne spracovanie informácií, ako aj vzájomne spolupracovať, čím sa vytvorí jedna bezdrôtová senzorová sieť. Zároveň takéto senzory prakticky nespotrebúvajú elektrinu, pretože vstavané miniatúrne batérie vydržia niekoľko rokov, to znamená po celú dobu životnosti senzorov. Pôjde o koncepčne nový typ počítačový systém pracujúce s bezdrôtovou senzorovou sieťou. Takáto sieť sa nazýva Ad-hoc bezdrôtové senzorové siete. Termín Ad-hoc je vypožičaný z moderných bezdrôtových sietí, ako je napríklad štandard IEEE 802.11b. Takéto bezdrôtové siete majú dva režimy interakcie: režim infraštruktúry a režim ad-hoc. V režime infraštruktúry sieťové uzly neinteragujú priamo medzi sebou, ale prostredníctvom prístupového bodu, ktorý funguje ako druh rozbočovača v bezdrôtovej sieti (podobne ako v tradičných káblových sieťach). V režime Ad-hoc, nazývanom aj Peer-to-Peer, stanice komunikujú priamo medzi sebou. V súlade s tým v bezdrôtových senzorových sieťach režim Ad-hoc znamená, že všetky senzory navzájom priamo interagujú a vytvárajú určitý druh celulárnej siete.

Bezdrôtové senzorové siete sú akýmsi krokom k ďalšej ére – keď budú počítače priamo prepojené s fyzickým svetom a budú schopné odhadnúť túžby používateľov, ako aj rozhodovať za ne.
Snívajme trochu o tom, čo nám takéto senzorové siete prinesú v budúcnosti. Predstavte si postieľky, ktoré počúvajú, ako deti dýchajú; náramky, ktoré monitorujú stav pacientov na klinike; detektory dymu, ktoré dokážu v prípade potreby hasičov nielen privolať, ale aj vopred informovať o ohnisku požiaru a stupni zložitosti požiaru. Elektronické zariadenia sa budú môcť navzájom rozpoznať, zdroje energie budú upozornené, že sa musia „nakŕmiť“.

Predstavte si státisíce integrovaných dotykových senzorov spoločná sieť v lese. V takom lese bude jednoducho nemožné stratiť sa, pretože pohyb osoby bude zaznamenávaný a analyzovaný senzormi. Ďalším príkladom sú senzory v teréne, vyladené tak, aby monitorovali stav pôdy a v závislosti od meniacich sa podmienok regulovali zálievku a množstvo aplikovaného hnojiva.
Nemenej užitočné budú senzorové siete na cestách. Vďaka vzájomnej komunikácii budú môcť regulovať tok áut. To je sen každého vodiča - cesty bez dopravných zápch! Takéto siete budú schopné zvládnuť túto úlohu oveľa efektívnejšie ako ktorákoľvek agentúra. Problém s ovládaním
priestupky na cestách vyrieši sám.

Využitím senzorových sietí na správu napájania sa dosiahnu neuveriteľné úspory energie. Predstavte si takúto riadiacu sieť vo vašom byte. Sledovaním vašej polohy budú senzory schopné vypnúť svetlá za vami všade a zapnúť ich podľa potreby. Ak použijete takéto siete na ovládanie osvetlenia ulíc a ciest, problém nedostatku elektriny zmizne sám. Aby sa senzorové siete stali realitou zajtrajška, výskum v tomto smere už prebieha. A lídrom v tejto oblasti je Intel Corporation, ktorá podporuje všetky pokročilé počítačové technológie budúcnosti. Osobitná pozornosť sa venuje vývoju bezdrôtových viacuzlových senzorových sietí schopných nezávislého automatického vytvárania a konfigurácie podľa potreby. Implementácia tejto technológie umožní nasadiť sieť lacných, no zároveň veľmi zložitých polovodičových senzorových zariadení, ktoré dokážu navzájom nezávisle komunikovať a hlásiť určité zmeny v prostredí. Napríklad snímač Mica je vybavený 128 kilobajtmi softvéru flash pamäte, 256 kilobajtov flash pamäte na ukladanie dát a rádiovým vysielačom pracujúcim na frekvencii 900 MHz.
Niektoré z týchto zariadení sú spustené operačný systém
TinyOS, kód pre tento operačný systém je open source a pozostáva len z
8,5 kb.

Takéto zariadenia nájdu uplatnenie v nových revolučných oblastiach, ako je vývoj inteligentných odevov, prepojených prikrývok, ktoré budú monitorovať zdravie novorodenca a informovať o životne dôležitých znakoch jeho života, inteligentných farmách, v ktorých budú kontrolovať polovodičové senzory inštalované v pôde. zavlažovanie
systém a hnojenie. Výskum senzorovej siete v spoločnosti Intel je
známe výskumné laboratórium Intel Berkeley Research Laboratórium, ktoré sa nachádza v Kalifornii. Experimentálne senzorové siete, ktoré dnes existujú, spĺňajú vyššie uvedené požiadavky len čiastočne. K dnešnému dňu teda siete pozostávajú len zo stoviek senzorov s obmedzenou oblasťou pokrytia a vykonávajú iba presne definované úlohy. Sú schopné prenášať len určitý typ informácií z jedného senzora do druhého a len v danej šírke pásma. Nezanedbateľná je aj spotreba energie
- Batéria vydrží len niekoľko dní. Existujúce dotykové senzory sú stále dosť inertné a vysoká spoľahlivosť a nenápadnosť pri prevádzke (aspoň kvôli ich veľkosti) neprichádzajú do úvahy. A samozrejme, takéto senzory sú dosť drahé, takže sieť pozostávajúca zo stoviek senzorov nie je lacná. Musíme si však uvedomiť, že hovoríme o experimentálnych sieťach a vývoji budúcich technológií. Zároveň experimentálne senzorové siete už prinášajú rozdiel. Jedna taká sieť senzorov, vyvinutá spoločne výskumným laboratóriom Intel Berkeley, Atlantickým inštitútom a Kalifornskou univerzitou, funguje na ostrove Great Duck Island v Maine.

Úlohou tejto siete je skúmať mikrohabitat rôznych biologických organizmov obývajúcich ostrov.
Akýkoľvek ľudský zásah (aj za účelom učenia) je niekedy zbytočný,
tu prichádzajú na pomoc senzorové siete, ktoré vám umožňujú zbierať všetky potrebné informácie bez priamej účasti osoby.

Senzorová sieť využíva dve dosky ako uzlové prvky. Prvá doska obsahuje snímač teploty, snímače vlhkosti a barometrického tlaku a infračervený snímač. Druhá doska obsahuje mikroprocesor (frekvencia 4 MHz), RAM 1KB, flash pamäť na ukladanie programov a dát, napájanie (dve AA batérie) a rádiový vysielač/
prijímač pracujúci na frekvencii 900 MHz. Senzory umožňujú zaregistrovať všetky potrebné informácie a preniesť ich do databázy hostiteľského počítača. Všetky senzory sú vopred dôkladne otestované – doska so senzormi sa na dva dni ponorí do vody a sleduje sa jej funkčnosť. Všetky senzorické uzly tvoria jeden bezdrôtová sieť a schopný zdieľať informácie. V tomto prípade sa prenos informácií zo vzdialeného sieťového uzla do brány (Gateway Sensor) vyskytuje v reťazci, to znamená z jedného sieťového uzla do druhého, čo umožňuje vytvoriť veľkú oblasť pokrytia.

Cez bránu sa informácie dostanú do hlavného počítača. Brána využíva smerovú anténu, ktorá umožňuje zväčšiť prenosovú vzdialenosť až na 300 m. Z hostiteľského počítača sa informácie pomocou satelitná komunikácia prenášané cez internet do výskumného centra v Kalifornii.

Pracovníci laboratória nemenej aktívne pracujú na presnej biológii a tvorbe biočipov. Okrem zmyslového vnímania sveta pevných vecí sa skúma aj možnosť „ohmatávania“ tekutých médií a biologických, vyvíjajúcich sa predmetov. Takýto výskum otvára obrovské vyhliadky pre medicínsky a farmaceutický vývoj, implementáciu chemických procesov a výrobu biologických liekov. Pretože hlavným účelom senzorových sietí je vnímanie a prenos užitočná informácia, experti v laboratóriu Intel Berkeley vyvíjajú metodiku kombinovania senzorov s objektmi, ktoré sú zodpovedné za monitorovanie, a tiež skúmajú možnosti vytvorenia „aktuátorov“ – zariadení založených na senzoroch, ktoré umožňujú ovplyvňovať situáciu, a nie len registrovať jeho stav. Senzorové siete sú samozrejme užitočné pre vojenské aplikácie, jedna z možných variácií siete bola „bojovo“ testovaná v Afganistane, kde americká armáda rozmiestnila niekoľko stoviek senzorov na sledovanie pohybu nepriateľskej vojenskej techniky. Avšak o implementácii
skutočné siete v našich životoch je príliš skoro na to, aby sme mohli povedať, že sieť je zraniteľná voči chybám. Útok odmietnutia služby (DoS) na sieť senzorov je akákoľvek udalosť, ktorá znižuje alebo eliminuje schopnosť siete vykonávať očakávanú funkciu. Autori navrhujú založiť sieťové protokoly senzorov na vrstvenej architektúre, čo môže poškodiť efektivitu siete, ale zvýšiť jej spoľahlivosť. Diskutuje sa o typoch DoS útokov typických pre každú úroveň a prijateľných metódach ochrany. Senzorové siete sa teda aj dnes, napriek nedokonalosti a stále dosť úzkemu spektru použitia, využívajú vo vede a neskôr aj v živote.

Použité webové stránky: