CC BY
4УДК 007.3
ОРГАНИЗАЦИЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СЕТИ ДЛЯ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛЮДЕЙ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ
Синицын С.О., студент группы 16КТЭС(ба)ПТРС, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: sinicin-sergei98@mail.ru
Научный руководитель: Худорожков О.В., канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой промышленной электроники и информационно-измерительной техники, Оренбургский государственный университет, Оренбург
На данный момент не существует отдельной сети для устройств класса носимой электроники с целью жизнеобеспечения людей с ограниченными возможностями. Существующие технические решения имеют ряд существенных недостатков. Цель работы заключается в организации сети для своевременного оповещения служб спасения. Достижение данной цели возможно при организации сети, позволяющей оповещать службы спасения и определять местоположение устройств - абонентов в этой сети без использования технологии GPS.
Ключевые слова: децентрализованная сеть, сеть ZigBee, триангуляция, координатор, маршрутизатор, оконечное устройство, сервер, точка доступа.
Существуют решения оценки физического состояния человека - различные фитнес браслеты, эти устройства соединяются с телефоном посредством Bluetooth через специальные приложения и производят мониторинг биологических параметров пользователя. На рисунке 1 представлен внешний вид фитнес браслета.
Рисунок 1 - Внешний вид фитнес браслета
Данные устройства обладают набором достоинств, основные из них:
- измерение температуры тела;
- измерение частоты сердечных сокращений;
- подсчет количества пройденных шагов;
- уведомление о звонках и смс.
Также они имеют ряд недостатков:
- высокая стоимость;
- малое время работы;
- радиус действия не превышает десятка метров;
- зависимость передачи данных от смартфона, стоит телефону разрядиться или появятся перебои с интернет соединением и браслет окажется бесполезным.
На данный момент большую популярность на рынке получили радиомодули NRF24L01 рисунок 2. Данные модули могут работать в режимах приема и передачи. Поэтому поставленные задачи, на данный момент, будут решены с их помощью.
Технические характеристики данного модуля [1]:
- частота передачи/приема 2.4 ГГц;
- скорость до 2 Мб/с, возможные варианты: 250 Кб/с, 1Мб/с и 2 Мб/с;
- напряжение питания 3.3 В;
- количество каналов - 126, нулевой канал начинается с 2400 МГц и далее с шагом 1 МГц.
Заявленная дальность до 1200 метров при скорости 250 Кб/с, но в условиях городской застройки не более 800 метров [1].
Для достижения поставленной цели предлагается организовать сеть, где за основу взята технология ZigBee. Технология ZigBee изначально разрабатывалась для создания распределенных сетей датчиков и управляющих устройств с невысокими скоростями передачи данных, скорость 250 Кб/с — это максимальная пропускная способность сети [2].
Связь в сети ZigBee осуществляется путем последовательной ретрансляции пакетов от узла источника до узла адресата. Наибольшая скорость передачи и наилучшая помехоустойчивость достигается в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц [2]. В этом диапазоне предусмотрено 16 каналов по 5 МГц. Расстояние между рабочими станциями сети составляет десятки метров внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций покрываемая сетью зона может быть весьма значительной: до нескольких тысяч квадратных метров в помещении и до нескольких гектар на открытом пространстве. На рисунке 3 представлена топология сети ZigBee [2].
Рисунок 3 - Топология сети ZigBee
Сети ZigBee строятся из базовых станций трех основных типов:
- координатор запускает сеть и управляет ею;
- маршрутизатор транслирует пакеты данных, он может обслуживать до 32 спящих устройств;
- конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией.
Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств. Конечные устройства не могут общаться между собой. Данная сеть может быть реализована на радиомодулях NRF24L01. В свою же очередь предлагается другая архитектура сети, представленная на рисунке
4.
О Сервер
о Точка доступа
• Конечное устройство
Рисунок 4 - Предлагаемая топология сети
В сети есть три вида устройств: сервер, точка доступа и оконечное устройство. Все оконечные устройства в сети подключаются к точкам доступа и передают точке свои данные, а именно индивидуальный идентификационный номер, и параметры о физическом состоянии носителя. К одной точке одновременно в режиме приема и передачи могут быть подключены до 120 устройств. Точки получая тот или иной запрос от устройства отправляют его на сервер с помощью интернет соединения, для дальнейшей обработки, например, для вызова помощи и определения местоположения.
Особенностью данной сети является ее децентрализованность. Например можно связаться с точкой доступа или другим устройством посредством других устройств находящихся в радиусе действия передатчика в устройстве. То есть зона оповещения не ограничена радиусом действия точки доступа, в отличии от ZigBee [2], где устройства зависят от радиуса действия маршрутизатора и не могут напрямую общаться друг с другом. В результате, если оконечное устройство не смогло подключиться для передачи данных по какой-либо причине к точке доступа, в радиусе действия которой оно находится, то оконечное устройство подключится к другой точки доступа, используя децентрализованность сети. К одному устройству одновременно может быть подключено до 6 других устройств или 3 точек доступа, эти параметры задаются на программном уровне.
В предложенной сети возможно определять местоположение устройства без использования GPS навигации. Производится это решением геометрической задачи [3], решения которой представлен графически на рисунке 5. Имея координаты трех точек доступа, к которым подключено устройство, возможно определить расстояние от каждой точки до устройства.
Устройство передает ближайшим точкам сигнал «SOS», его получают и отправляют «контрольный пакет» и начинают отсчитывать время. Устройство получает пакет и сразу отправляет его обратно без какой-либо обработки, как только точка получила пакет, она определяет расстояние до устройства по времени прохождения сигнала. Тоже самое проделывают остальные точки. После вычисления расстояний каждая точка доступа отправляет данные на сервер, который обрабатывает запрос. Сервер высчитывает для каждой точки доступа возможные координаты местоположения устройства, на полученном от точки расстояния, тоже самое он проделывает с остальными точками. После этого сервер начинает
анализировать все полученные координаты и находит три совпадения. Именно эти три совпадения являются координатами искомого устройства.
Рисунок 5 - Результат решения триангуляционной задачи
Если устройство подключено всего к двум точкам рисунок 6, но где-то поблизости находится устройство, которое подключено к трем точкам. То при сигнале «SOS» устройство, подключенное к трем точкам, получает этот сигнал и становится на некоторое время точкой доступа, помогая определить местоположение искомого устройства, а дальше все работает по описанному выше алгоритму.
Рисунок 6 - Частный случай определения местоположения
В случае если устройство находится на некоторой высоте И, то после всех расчетов алгоритм дает сбой, в результате работы алгоритм находит не точку, а область пересечения радиусов действия, в которой находится искомое устройство. Эта ситуация приводит к ошибкам в определении координат объекта. Данный случай представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 - Результат определения местоположения в пространстве В настоящий момент ведутся поиски решения данной проблемы.
В работе представлена топология децентрализованной сети, позволяющей своевременно оповещать службы спасения и определять местоположение абонента при наличие сигнала SOS.
Литература
1. Описание радиомодуля NRF24L01. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://homes-smart.ru/index.php/oborudovanie/bez-provodov-2-4-ggts/opisanie-radiomodulya-ш£24Ю1 - (дата обращения: 21.02.2018).
2. Сети ZigBee. Зачем и почему? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://habrahabr.ru/post/155037 - (дата обращения: 21.02.2018).
3. Триангуляция местоположения мобильного телефона базовыми станциями. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.mobile-review.com/articles/2009/triangulation.shtml - (дата обращения: 27.03.2018).
