CC BY
26
С. Л. Анисимов, кандидат технических наук И. В. Лазарев, кандидат технических наук, доцент Н. С. Шаталов
К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ СЕТИ LORA В ОХРАННЫХ СИСТЕМАХ
ON THE QUESTION OF THE POSSIBILITY OF USING ARCHITECTURE LORA NETWORKS IN SECURITY SYSTEMS
Применительно к топологии охранных систем распределенных объектов рассматриваются возможности применения архитектуры сети беспроводного протокола Lora в структурах охранных систем.
In relation to the topology of security systems of distributed objects, the possibilities of applying the architecture of the Lora wireless protocol network in the structures of security systems are considered.
Введение. В современных условиях охранные системы обеспечивают сохранность объектов и имущества посредством использования технических радиоэлектронных средств и устройств. Данный подход является высокоэффективным в условиях ограниченных финансовых затрат, и тем не менее он может с легкостью обеспечить сохранность таких объектов, от которых может зависеть инфраструктура целого города и даже государства.
Применительно к охранным системам распределенных объектов укрупнённая структура данных систем может содержать ряд устройств, а именно: извещатели (И), блок управления и обработки сигналов (далее БУиОС), основной интерфейс передачи данных (ОИПД), автоматизированное рабочее место (АРМ), реализованное, в частности, с применением компьютера. При этом структура представляет собой распределенную сеть и может наращиваться при необходимости, но, как привило, эта сеть всегда иерархична. Следует отметить, что в данной системе при совершении противоправной стороной акта незаконного физического проникновения на АРМ формируется сигнал «тревоги», при поступлении которого оперативный дежурный направляет на объект силы реагирования [1]. При использовании силами реагирования транспортных средств в условиях ограниченного времени, отводимого на прибытие к объекту, например в течение 3—4 минут, следует, что при средней скорости движения 30—60 км/час наибольшие дальности до объектов охраны могут составлять 1,5—3,0 км и 2,0—4,0 км соответственно. Это обуславливает необходимость применения средств связи для передачи данных на АРМ, обеспечивающих надежную работу на дальностях единиц км, что возможно при использовании передатчиков средней мощности [2, 3].
Основная часть. При использовании для передачи информационных данных по основному интерфейсу с БУиОС на компьютер (АРМ) к настоящему времени существует большое количество радиосистем как отечественного, так и зарубежного производства, работающих в частотном диапазоне, не требующем лицензирования, в частности на несущей частоте около 400 МГц. Большое разнообразие технических средств, обеспечивающих связь, в настоящее время облегчает выбор необходимых устройств при построении раз-
личных систем, использующих беспроводные каналы, но тем не менее сложность существует и, как правило, она связана с обеспечением устойчивой связи в условиях существования неблагоприятных факторов, сказывающихся на работе радиоэлектронной аппаратуры, таких как радиочастотный шум в условиях городской местности.
В связи с вышеописанными задачами был произведен анализ возможности применения низкоскоростных модулей архитектуры Lora при построении систем охраны, которые, как правило, требуют от радиопередающей аппаратуры бесперебойной и надежной работы. В качестве центрального блока управления и сбора информации был взят микроконтроллер на базе ядра cortex-m3, а именно stm32f103c8t6. Использование такого подхода обусловлено тем, что при низкой стоимости данное ядро может обеспечить достаточно хорошую производительность и гибкость при построении, а также наращивании охранной системы. В качестве реализации автоматизированного рабочего места был разработан клиент терминал на языке С++. Анализ возможности применения модулей осуществлялся в процессе разработки модели охранной системы, в основу которого положен канал связи, представленный радиоканалом. При этом радиоканал может быть представлен аппаратурой радиомодулей различных производителей зарубежного производства.
Отметим, что для обеспечения связи АРМ и БУиОС следует использовать радиоканал, соответствующий основным вышеизложенным требованиям, а именно: возможность работы в условиях радиочастотного шума, обеспечение надежной связи на больших дистанциях и др.
Применительно к рассматриваемой задаче рассмотрены популярные в настоящее время и пользующиеся удовлетворительным спросом следующие линейки моделей радиомодулей:
- NRF24L01;
- E32-433T20DT(Lora);
- RFM96W-433S2.
Сравнительная характеристика радиомодулей [4] отражена в табл. 1.
Таблица 1
Сравнительная характеристика радиомодулей
Параметр E32-433T20DT NRF24L01 RFM96W-433S2
Напряжение питания (В) 5.0 1.8..3.6 1.8..3.7
Температурный режим (°С) -40..+85 -40..+85 -20..+70
Рабочая частота (МГц) 410-525 2400 433
Мощность передатчика (Дбм) 20 20 20
Чувствительность приемника (Дбм) -147 -82 -140
Максимальная дальность передачи (м) 8000 1000 8000
Буфер (байт) 512 - 256
Интерфейс USART SPI SPI
Антенна SMA-K SMA-K SMA-K
Исходя из сопоставительного анализа тактико-технических характеристик радиомодулей, приведенных в таблице 1, а также стоимости и особенностей при работе, в частности разрешенного частотного диапазона без прохождения лицензирования, дальнейшая реализация интерфейса рассмотрена на базе модуля E32-433T20DT. Кроме того, данный модуль имеет ряд преимуществ среди рассмотренных, а именно: простота в работе, интер-
фейс, использующий всего лишь два порта ввода-вывода (интерфейс usart), высокая выходная мощность передатчика, простота в конфигурации, возможность работы в зашум-ленной радиочастотными сигналами среде за счет широкополосности передатчика [4].
Разработка алгоритма работы. Следует отметить, что при использовании радиомодуля в структуре охранных систем распределенных объектов в случае возникновения акта незаконного физического проникновения, совершаемого противоправной стороной, должно обеспечиваться циркулирование следующей информации:
- опрос состояния извещателей;
- фиксация сигналов «Тревога» с охраняемых зон;
- отправка данных о сработке на АРМ.
Учитывая, что реализация БУиОС возможна на основе использования ядра cortex-m3, а именно на микроконтроллере stm32f103c8t6, выполняющем функции микро-ЭВМ, использование такого подхода обеспечивает высокую функциональность при низкой стоимости. Данное ядро, имея достаточно хорошую производительность, содержит потенциал по наращиванию информационной емкости разрабатываемой охранной системы, это может быть обеспечено в том числе путем установки соответствующих расширителей информационной емкости. Укрупненная структурная схема охранной системы представлена на рис. 1.
Рис. 1. Укрупненная структурная схема охранной системы
Для анализа использования беспроводных модулей Lora при построении систем безопасности разработана система передачи извещений и команд управления, клиент которой представлен на языке программирования C# в среде Microsoft Visual Studio [5, 6]. В этом случае клиент представляет собой терминальную программу, которая связывает персональный компьютер и микроконтроллер, обеспечивающий сбор информации о состоянии извещателей на объекте. Такая система позволяет обеспечивать обмен информацией на больших дистанциях без использования сети Интернет.
Принимая во внимание тот факт, что радиомодуль работает по интерфейсу Usart, для подключения к компьютеру был использован подход с применением TTL-конвертора, выполненного с использованием, например, микросхемы типа PL2303. При этом схема подключения персонального компьютера к радиомодулю имеет вид рис. 2.
м/
ovo
rs-232 -sv-
TXD
RXO
ßND
vcc
M1
MO E32-433T20DT
RXO
TXD
Рис. 2. Схема подключения радиомодуля к TTL-конвертору
135
В конструктивном исполнении модуль, подключенный к конвертору, имеет вид рис. 3.
Рис. 3. Подключение модуля к TTL-конвертору на микросхеме PL2303
В компьютере конвертор будет определяться как виртуальный COM порт (рис. 4).
Ç Proljfic U SB-to-Sériai Com m Port (CO M5}
Рис. 4. Виртуальный COM порт в диспетчере устройств
Разработка терминала АРМ. В Microsoft Visual Studio бала создана форма с размещением необходимых элементов управления радиопередачей. В разрабатываемой программе было размещено окошко для выбора устройств, в котором в последующем возможно определение порта, на котором работает радиомодуль. Использование двух текстовых полей обеспечивает обмен информацией с удаленным ядром, осуществляющим контроль за состоянием на объекте. При этом одно поле выводит принятые данные от удаленного устройства (в нашем случае микроконтроллера), второе используется для ввода данных, которые передаются к компьютеру на АРМ. Также в терминале были размещены кнопки управления, обеспечивающие следующие функции: подключение к модулю через последовательный порт, отправка данных и очистка поля принимаемых данных. Для удобной работы с радиомодулем предусмотрена возможность переконфигурации радиомодуля, а именно выбор канала связи, уровня мощности передатчика и скорости передачи данных по радиоканалу. Кроме того, для обеспечения удобства использования данной программы было введено поле с адресом пользователя. В этом случае удаленная сторона будет отличать АРМ и другие такие же системы, работающие в одном канале связи.
Для возможности переконфигурации в программе реализована функция отправки команд переконфигурации на радиомодуль. Подробное описание команд можно найти в документации к радиомодулю. Согласно мануалу к модулю, стандартная конфигурация записывается в виде следующих пяти байт: С0, 00, 00, 1A, 17, 44. В процессе разработки были использованы только байты мощности, скорости передачи по воздуху и настройки канала связи. Отметим, что переконфигурация радиомодуля должна производиться в режиме sleepmode, то есть выводы m1 и m0 должны быть к моменту переконфигурации подтянуты к плюсу питания. В нормальном режиме работы они подтянуты к минусу питания. Переконфигурация модуля осуществляется отправкой пяти байт на радиомодуль в режиме sleepmode. Интерфейс разработанной программы имеет вид рис. 5.
Рис. 5. Интерфейс разработанной программы
Следует отметить, что каждый байт отвечает за свои параметры модуля. Бинарные значения 3, 4 и 5 байта отвечают за скорость передачи по воздуху, выбор канала и мощности передатчика соответственно (рис. 6).
Transmission power (ф р roximat ion$
30dBm (default)
27dBm
24dBm
21dBm
The external power must make sure the ability of current output more than 250mA and ensure thepowersupply ripple within
lOOmV
Low power transmission is not recommended due to its low power supply efficiency.
Рис. 6. Биты конфигурации радиомодуля
Отправка данных в последовательный порт и далее, осуществляется обработчиком соответствующей кнопки «Отправка», а также обработчиком нажатия клавиши Enter. Прием данных удаленным БУиОС осуществляется по принципу чтения данных из буфера последовательного порта, которые в соответствии с заложенным в микроконтроллер алгоритмом интерпретируются в определенное действие, например в опрос всех шлейфов сигнализации на присутствие сигнала «Тревога» или отправку управляющей команды на систему контроля и управления доступом. Следовательно, окно итоговой программы для отправки данных к удаленному процессору по радиоканалу имеет вид рис. 7.
«_■ 1_ога — □ X
Рис. 7. Окно итоговой программы
Экспериментальные исследования. Данная разработка была протестирована на работоспособность. Тесты проводились в городе Воронеже. Передача данных осуществлялась по двум точкам в двух направлениях. Первая точка находилась по адресу: г. Воронеж, проспект Патриотов, д. 51. Вторая точка располагалась по адресу: г. Воронеж, ул. Любы Шевцовой, д.17А (рис. 8).
Рис. 8. Карта местности при проведении испытаний
Тестирование осуществлялось с использованием пассивного оптико-электронного извещателя. В качестве извещателя был использован модуль HC-SR501 (рис. 9).
Рис. 9. Внешний вид модуля HC-SR501
При апробации разработанной модели охранной системы на удаленном объекте имитировалось проникновение злоумышленника в жилое помещение гражданина. Формирование сигнала «Тревога» регистрировалось БУиОС и отправлялось на АРМ в виде соответствующих команд (команды адреса объекта и команды состояния контролируемых шлейфов и устройств), которые регистрировались в терминале АРМ. Окно работы программы терминала отправки и приема данных имеет вид рис. 10.
Рис. 10. Окно программы терминала отправки и приема данных
На дистанции примерно 1,41 км (рис. 8) работоспособность системы радиосвязи с использованием тестовой информации показала хорошие результаты. Потери и ошибки при передаче команд не были зафиксированы, несмотря на повышенный уровень радиочастотного шума в этом районе местности. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о соответствии указанной дальности действия техническим характеристикам и возможности применения радиопередающих систем и модулей Lora при проектировании охранных систем.
Основные выводы:
1. Рассмотрена модель и характеристики радиомодуля дальнего действия из семейства Lora.
2. Разработан универсальный терминал передачи данных на дальние дистанции с использованием радиомодуля E32-433T20DT (Lora), без применения сети Интернет.
3. В процессе эксперимента протестированы возможности радиоканальной системы связи в городской местности.
В качестве особенностей радиоканальной системы связи с использованием радиомодуля E32-433T20DT (Lora) следует отметить то, что имеется возможность переключения каналов в широком диапазоне. Это повышает возможности радиоканальной системы связи по расширению информационной емкости и контролю абонентов при построении систем безопасности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Организация деятельности подразделений вневедомственной охраны : курс лекций / С. А. Винокуров [и др.]. Ч. 1. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2010. — 171 с.
2. Шахгильдян В. В. Радиопередающие устройства : учебник для вузов. — М. : Радио и связь, 2003. — 432 с.
3. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета. — М. : Горячая линия. — Телеком, 2007. — 384 с.
4. Chengdu Ebyte Electronic Technology Co.: Ltd/E32-433T30D User Manual.
5. Шилдт Герберт. Полный справочник по C#/. — М. : Вильямс, 2004. — 752 с.
6. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы : учебник для вузов. — 4-е изд. — СПб. : Питер, 2010. — 944 с.
REFERENCES
1. Organizaciya deyatel'nosti podrazdelenij vnevedomstvennoj ohrany : kurs lekcij / S. A. Vinokurov [i dr.]. Ch. 1. — Voronezh : Voronezhskij institut MVD Rossii, 2010. — 171 s.
2. Shahgil'dyan V. V. Radioperedayushchie ustrojstva : uchebnik dlya vuzov. — M. : Radio i svyaz', 2003. — 432 s.
3. Vorona V. A. Radioperedayushchie ustrojstva. Osnovy teorii i rascheta. — M. : Goryachaya liniya. — Telekom, 2007. — 384 s.
4. Chengdu Ebyte Electronic Technology Co.: Ltd/E32-433T30D User Manual.
5. Shildt Gerbert. Polnyj spravochnik po C#/. — M. : Vil'yams, 2004. — 752 s.
6. Olifer V. G., Olifer N. A. Komp'yuternye seti. Principy, tekhnologii, protokoly : uchebnik dlya vuzov. — 4-e izd. — SPb. : Piter, 2010. — 944 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Анисимов Сергей Леонидович. Доцент кафедры физики и радиоэлектроники. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: anisimov12@mail.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-66.
Лазарев Иван Владимирович. Доцент кафедры физики и радиоэлектроники. Кандидат технических наук, доцент.
E-mail: vorhmscl@comch.ru
Воронежский институт МВД России.
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-68.
Шаталов Никита Сергеевич. Курсант. Воронежский институт МВД России. E-mail: foregindri@gmail.com Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53.
Anisimov Sergey Leonidovich. Associate Professor of the chair of Physics and Radioelectronics. Candidate of Technical Sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: anisimov12@mail.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-66.
Lazarev Ivan Vladimirovich. Associate Professor of the chair of Physics and Radioelectronics. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: vorhmscl@comch.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-68.
Shatalov Nikita Sergeevich. Cadet.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia. E-mail: foregindri@gmail.com
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Ключевые слова: устройство охраны; радиоканал; радиомодуль. Key words: security device; radio channel; radio module. УДК 396.621
