CC BY
71
-►
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 681.322
Г.Л. Атоян, И.И. Корбутов, А.И. Осадчий
ОРГАНИЗАЦИЯ СБОРА ДАННЫХ О СОСТОЯНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ПОСТРОЕНИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ
Одним из актуальных направлений в области информационных технологий является создание нового вида сетевых систем — сенсорных сетей (СС). Сенсорная сеть — это беспроводная система, представляющая собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных вычислительных устройств с автономным источником питания. Беспроводные сенсорные сети — БСС (их также называют специализированными, или многоточечными, сетями) — строятся из малых узлов — мотов. Моты — это небольшие автономные компьютеры с питанием от батарей и радиосвязью, которая позволяет им самоорганизовываться в специализированные сети, связываясь друг с другом и обмениваясь данными. Данные от отдельных узлов передаются по сети от узла к узлу (отсюда название «многоточечные сети») и обычно попадают на сервер, имеющий более высокую вычислительную мощность. Каждый мот устанавливает связь с соседними сразу после включения. Несмотря на то, что у отдельного сенсора мощность и вычислительные возможности ограничены, множество мотов, самопроизвольно организуясь в сеть, способно выполнять задачи, с которыми не в состоянии справиться обычная вычислительная система.
Узлы такой системы транслируют сообщения друг через друга, обеспечивая значительную площадь покрытия сетью при малой мощности передатчика. Исследования по созданию сетей автономных датчиков начали активно развиваться с середины 90-х годов и были активно поддержаны Агентством по перспектив-
ным оборонным научно-исследовательским разработкам. Предполагалось, что миниатюрные датчики (сенсоры), снабженные контроллером и приемопередатчиком, будут разбрасываться с самолета, собирать необходимую информацию и передавать ее в центр обработки. Однако в предлагаемой нами системе оборудование будет монтироваться на специально подготовленные платформы, которые в свое время будут фиксировать не только положение датчиков, но и обеспечивать простейшую безопасность по отношению к погодным условиям, а также защиту от человеческого фактора.
Обмен информацией между узлами системы происходит по беспроводным каналам связи по протоколу ZigBee. Данный протокол предоставляет возможности реализации беспроводной связи с низким энергопотреблением для множества приложений, которые осуществляют функции наблюдения или управления.
Протокол ZigBee — это международный открытый стандарт, контролируемый объединением ZigBee Alliance. Он был создан на основе стандарта IЕЕЕ802.15.4 для пакетной беспроводной передачи данных. Протокол обеспечивает гибкие, расширяемые сетевые топологии, содержит встроенные функции для организации сетей и маршрутизации передаваемых данных. Также протокол обеспечивает простую установку и высокую устойчивость к сбоям, полноценные меры по безопасности, преодолевает традиционные ограничения маломощных беспроводных сетевых решений, такие, как малая дальность и ограниченное покрытие , а также уязвимость к сбоям в узле и в радиолинии.
Простота создания сетей сбора данных, возможность их оперативного развертывания и сворачивания, их интеллектуальность и дешевизна, легкость их расширения и сокращения, наконец, приложение сетей к разным профилям жизнедеятельности — вот принципы, заложенные в идеологию стандарта персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4. Воплощение в жизнь этих принципов и составляет цель сетевой технологии ZigBee — программной надстройки для управления сетевыми устройствами (трансиверами) стандарта. Набор протоколов ZigBee является реализацией стека протоколов семиуровневой модели взаимодействия открытых систем.
Необходимость данной разработки определяется тем, что в различных сферах деятельности человека возникает потребность в использовании одних и тех же или однотипных устройств, а также задача рационального использования ресурсов. Экономия материальных средств обеспечивается за счет охвата широкого спектра решаемых задач в рамках одного устройства. Кроме того, универсальная платформа дает возможность быстрой перекомпоновки системы, что позволяет применять платформу для различных целей за счет взаимодействия с датчиками часто используемого типа.
В состав платформы входят:
ZigBee координатор — центральное вычислительное устройство системы, собирающее данные со всех сенсоров сети, управляющее ее исполнительными устройствами, обеспечивающее инициализацию БСС и ее связь с внешним миром через подключенный компьютер;
ZigBee маршрутизатор — устройство для построения больших сетей (до 1000 сенсоров), осуществляющее передачу пакетов по узлам сети и выбирающее оптимальный маршрут для поддержания качественной связи;
ZigBee устройство управления — устройство для подключения различных датчиков и исполнительных устройств, работающее с наиболее популярными интерфейсами;
ZigBee устройство управления с обратной связью, имеющее компактный размер 50х30х 10 мм и четыре клавиши управления для связи с узлами сети;
ZigBee интеллектуальный шлюз, позволяющий осуществлять стыковку ZigBee сетей с дру-
1 74
гими беспроводными сетями, работающими в нелицензируемом диапазоне 2,4Ггц (WiFi, WiMax и др.).
Краткие характеристики платформы ZigBee: совместимость с 2,4 ГГц IEEE802.15.4 и ZigBee;
рабочее напряжение 2,7—3,6 В; ток потребления в спящем режиме (при активном таймере сна) 2,8 мкА;
дальность связи 1—4 км на открытом пространстве (определяется типом модуля и антенны);
время автономной работы от двух батарей типа AAA до 2 лет;
х
деляются размерами батарей);
32-битный RISC-процессор с тактовой частотой 16(32) МГц;
96 кБ RAM, 192 кБ ROM; шина I2C;
возможность организации до 10 цифровых входов/выходов.
Достоинства систем на основе сенсорных сетей:
возможность расположения в труднодоступных местах, куда сложно и дорого тянуть обыкновенные проводные решения;
оперативность и удобство развертывания и обслуживания системы;
надежность сети в целом; в случае выхода из строя одного из них информация передается через соседние элементы;
возможность добавления или исключения любого количества устройств из сети;
высокий уровень проникновения сквозь препятствия (стены, потолки) и стойкость кэлек-тромагнитным помехам (благодаря высокой частоте работы системы — 2,4 ГГц);
длительное время работы без замены элементов питания.
Сенсорная сеть обладает способностью к ретрансляции сообщений по цепочке от одного к другому, что позволяет в случае выхода из строя одного из узлов организовать передачу информации через соседние узлы без потери качества. Сама сеть определяет оптимальный маршрут движения информационных потоков.
Наиболее оптимистичные варианты построения беспроводной сети обмена данными для системы мониторинга экологической обстанов-
ки могут иметь «многоскачковую», «гибридную» и «квазисотовую» схемы.
После уточнения структуры системы мониторинга экологической обстановки на основе рассмотренных вариантов могут быть предложены несколько реальных концепций построения беспроводной сети передачи данных с использованием оборудования различных производителей. После этого появляется возможность для расчета реальных функционально-экономических характеристик каждой из концепций и принятия решения по построению сети.
Обобщенный вариант построения многоскач-ковой сети передачи данных мониторинга экологической обстановки (например, на основе технологии 7щВее) можно представить в виде, показанном на рис. 1. Беспроводный сенсорный узел устанавливается на каждом звене. Предполагается, что звенья группируются таким образом, что составляют связанную группу. Для объе-
Природопользование
динения групп беспроводных датчиков и исполнительных устройств в единую сеть в нее дополнительно вводятся «связные» беспроводные сенсорные узлы. Места расположения беспроводных сенсорных узлов выбираются так, чтобы минимизировать общее их количество. При необходимости беспроводный сенсорный узел может устанавливаться на одном из пунктов управления (ПУ) и выполнять при этом функции оконечного узла для данного ПУ и транзитного по отношению к центральному пункту сбора и контроля информации уровня водных масс. Более полное представление варианта возможно после уточнения мест расположения пунктов управления и звеньев на местности.
Недостатком данного варианта является низкая надежность сети, вызванная большой протяженностью интервалов радиосвязи между пунктами управления и погрешностями самоорганизации. Самоорганизация сети может
□ Д □
Рис. 1. Обобщенный вариант построения многоскачковой сети передачи данных системы мониторинга экологической обстановки
вызвать непредсказуемость ее поведения (непредсказуемость маршрутов) и повлечь за собой такие проблемы, как непредсказуемое распределение нагрузки, а как следствие — перегрузку отдельных узлов, приводящую к сложности маршрутных таблиц, увеличению времени доставки пакетов по сети и ее фрагментацию в случае отказов.
Избежать этих неприятностей, уменьшить время доставки сообщения, а также организовать взаимодействие между устройствами, находящимися в отдаленных друг от друга частях
местности, позволяет применение мостов и построенных с их использованием радиорелейных устройств ZigBee. Радиорелейное устройство представляет собой мост, ZigBee устройство которого вмонтировано в облучатель узконаправленной параболической (или планарной) антенны. На рис. 2 показан вариант построения сенсорной сети с мостами и релейными устройствами ZigBee.
Более высокие возможности для повышения надежности сети передачи данных в системе мониторинга уровня водных масс открывает ис-
Рис. 2. Вариант построения сенсорной сети с мостами и релейными устройствами ZigBee
4
Природопользование^
пользование пунктов ретрансляции, построенных на основе релейных устройств 7щВее.
Важную роль во всех рассмотренных ранее вариантах выполняет мост 7щВее. Мост 7щВее позволяет объединять сегменты 7щВее-сети при помощи сетей других типов; такие мосты могут выполнять функции 7щВее маршрутизаторов (то есть пересылать данные между узлами сети по радио) и брать на себя роль сетевого координатора. Использование мостов позволяет создавать сети со сложными топологиями, обслуживать большое число узлов и увеличить дальность связи.
На рис. 3 показан вариант построения сенсорной сети с ретрансляторами сигналов на 7щВее.
Актуальность предложений, изложенных в данной статье, обусловлена тем, что существующие системы сбора и обработки данных не могут полностью отвечать современным требованиям. Внедрение же беспроводных сенсорных сетей в систему сбора, контроля экологической обстановки будет дополнением существующих программно-технических комплексов, приметающихся в России.
Рис. 3. Вариант построения сенсорной сети с ретрансляторами сигналов
на ZigBee
