Разработка аппаратного и программного обеспечения устройства сопряжения модельного и натурного экспериментов в рамках концепции синтеза адаптивных распределенных сенсорных сетей с применением модельно-ориентированного проектирования в Simulink

Володин К.И.; Переходов А.И.

УДК 004.75/32

Володин К. И., Переходов А. И.

Пензенский государственный технологический университет, Пенза, Россия

РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ МОДЕЛЬНОГО И НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТОВ В РАМКАХ КОНЦЕПЦИИ СИНТЕЗА АДАПТИВНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ С ПРИМЕНЕННИЕ МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОКТИРОВАНИЯ В SIMULINK

Адаптивная распределенная сенсорная сеть (adaptive distributed sensor network) — распределённая, самоорганизующаяся сеть, состоящая из миниатюрных вычислительно-коммуникативных устройств -мотов (mote) или узлов (note). В зависимости от реализации возможно использование различных интерфейсов взаимодействия, например, использование приемопередатчика ISM-диапазона или других. Если используются приемопередатчики с радиоканалом, то такие сети представляют подкласс беспроводных адаптивных распределенных сенсорных сетей. Узел сенсорной сети представляет собой плату, на которой размещаются процессор, память, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики (температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации и другие), подключающиеся через цифровые и аналоговые коннекторы. Основная функциональная обработка данных, собираемых узлами сенсорной сети, осуществляется на шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер, оснащенный антенной для получения данных.

Узлы беспроводной сенсорной сети могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в ISM-диапазоне. Информация передается от одних узлов сенсорной сети другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу узлы сенсорной сети сбрасывают ему всю собранную информацию. Если часть узлов сенсорной сети выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. В этом случае, естественно, уменьшается число источников информации [1,2,3,4,5] .

В процессе проектирования адаптивных распределенных сенсорных сетей различного назначения необходимым условием является сопровождение технически сложного проекта, включающего такие аспекты разработки, как создание и тестирование алгоритмов с последующей их адаптацией для параллельного и распределенного выполнения, моделирование работы сети на уровне пакетной передачи [6,7,8].

Одним из аспектов проблематики предметной области является моделирование процессов передачи информации в ИС на базе сенсорных сетей.

Основная задача заключается в анализе работы узла адаптивной распределенной сенсорной сети, интегрируемого с моделью посредством устройства сопряжения модельного и натурного экспериментов. Для ее решения предлагается провести одновременное моделирование и проведение натурного эксперимента для формирования представления об алгоритмах работы системы.

Для создания макета устройства сопряжения модельного и натурного экспериментов в рамках синтеза адаптивных распределенных сенсорных сетей используется платформа Arduino [9], которая взаимодействует с сенсорной платформой на базе технологий Nordic Semiconductor [10] посредством последовательного интерфейса UART. Основными преимуществами платформы Arduino является ее ценовая доступность, а также наличие готовых модулей расширений [11] и библиотек программ [12,13] . В свою очередь сенсорная платформа на базе технологий Nordic Semiconductor отличается малым энергопотреблением, что является важным критерием узла сенсорной сети, поскольку при работе максимизируется время автономной работы и устойчивость к деградации сети, применение алгоритмов и использование аппаратных возможностей.

Для реализации проекта была выбрана система Matlab&Simulink [14], поскольку система позволяет реализовать данный проект в рамках одной целостной системы, не прибегая к сторонним ресурсам (или минимизируя их число), а также пакеты расширений к ней, в частности, пакеты расширений Embedded Coder [15], Simulink Coder [16], Matlab Coder [17], Instrument Control Toolbox [18], Stateflow [19], пакет дискретно-событийного моделирования SimEvents [20].

В процессе работы была разработана схема интеграции платформы Arduino с сенсорной платформой на базе технологий Nordic Semiconductor, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 - схема интеграции платформы Arduino с сенсорной платформой на базе технологий Nordic

Semiconductor

В ходе проведения эксперимента, который заключается в моделировании процесса передачи информации в сенсорной сети, необходимо отправлять и принимать пакеты из реальной сенсорной сети для подтверждения выдвигаемых теоретических положений.

На рисунке 2 представлена модель интеграции платформ, построенная в среде MathWorks MATLAB&Simulink с использованием Embedded Coder, обеспечивающая связь платформы Arduino с сенсорной платформой Nordic Semiconductor посредством последовательного интерфейса UART.

Рисунок 2 - Модель интеграции платформы Arduino с сенсорной платформой на базе технологий

Nordic Semiconductor

В таблице 1 представлено описание блоков Simulink для модели интеграции платформы Arduino с сенсорной платформой на базе технологий Nordic Semiconductor.

Таблица 1. Таблица блоков Simulink для модели интеграции платформы Arduino с сенсорной платформой на базе технологий Nordic Semiconductor.

Называние Описание

Subsystem Transmit Подсистема - передатчик для отправки данных на указанный последовательный порт .

Subsystem Receive Подсистема - приемник, получает один байт данных за период выборки из приемного буфера указанного последовательного порта. Этот блок имеет 2 выхода: Data (данные) и Status (состояния). Когда доступны данные: Выход блока данных выдает данные из последовательного приемного буфера. Выход состояния равен 1. Когда данные не доступны: Выход блока данных выдает 255. Выход состояния равен 0.

MATLAB Function Блок содержит функции промежуточной обработки данных.

На рисунке 3 представлена модель управления передачей данных, составленная в среде MATLAB&Simulink, которая исполняется на ПК. Данная модель генерирует сигнал, а затем оправляет данные в последовательный порт.

Рисунок 3 - Модель управления передачей данных для ПК.

В таблице 2 представлено описание блоков Simulink для модели управления передачей данных для

ПК.

Таблица 2. Таблица блоков Simulink для модели управления передачей данных для ПК.

Название Описание

Sine Wave Блок - генератор синусоидального сигнала

Data Type Conversion Блок, преобразующий тип входных данных в необходимый тип данных на выходе .

Serial Send Блок, передающий двоичную информацию из модели на компьютере в указанный последовательный порт.

Serial Configuration Блок для настройки последовательного порта

Scope Блок устройства отображения.

Модель, построенная в среде MATLAB&Simulink с использованием пакета расширений Instrument Control Toolbox и исполняемая на ПК, отправляет данные на платформу-посредника, в качестве которой используется Arduino MEGA2560 (1, рисунок 4), выполняющая роль платформы для offloading, т.е. для выполнения таких рутинных операций, как подсчет статистических параметров (bit error rate и packet error rate), сбор статистики по особенностям работы сенсорной сети и передача ее в модель для дальнейшей обработки и принятия решений. К Arduino MEGA 2560 подключается сенсорная платформа на базе технологий Nordic Semiconductor (3, рисунок 4) посредством последовательного интерфейса UART, которая обменивается сообщениями с сенсорной сетью (4, рисунок 4), используя радиоканал.

Тестовый стенд интеграции представлен на рисунке 2.

Рисунок 4 - Тестовый стенд интеграции платформы Arduino с сенсорной платформой на базе технологий Nordic Semiconductor (1 - Arduino MEGA 2560, 2 - адаптер питания, 3 - плата интерфейса связи с сенсорной сетью, 4 - макет узла сенсорной сети)

Получая данные затем из порта, мы можем сравнить отправляемый сигнал с полученным (рисунок 5).

Рисунок 5 - Отправляемый сигнал (слева) и полученный из сенсорной сети сигнал (справа)

Таким образом, в ходе работы было проведено одновременное моделирование и проведение натурного эксперимента для формирования представления об алгоритмах работы системы, а также составлены модели Simulink для проверки технологии обмена информацией между ПК и сенсорной сетью. В перспективе работы над проектом необходимо выполнить верификацию полученных моделей совместно с моделями, включающими блоки SimEvents.

Дальнейшая работа будет продолжена в рамках концепции синтеза сенсорных сетей. На основе полученных данных необходимо разработать комплексные поведенческие модели для многоузловой сети, а также собственный пакет расширений для узлов адаптивной распределенной сенсорной сети, спроектированной в рамках сенсорной платформы на базе технологий Nordic Semiconductor.

Работа проведена в рамках научно-исследовательской лаборатории «Интеллектуальных информационных систем» кафедры «Информационные технологии и системы» Пензенского государственного технологического университета и технопарка «Яблочков».

ЛИТЕРАТУРА

1. Володин К.И., Щербань А.Б.,Даянов М.Х., Температурная сенсорная сеть // Труды Международной НТК «Современные информационные технологии», . - Пенза: Пензенская государственная ская академия, 2005. - № 2. - C. 86-89

2. Володин К.И., Горячкин А.В., Разработка распределенной сенсорной сети с использованием нологии виртуализации операционных систем // Современные информационные технологии: Международная научно-техническая конференция.- Пенза: ПГТА, 2008.- Выпуск 7.- С. 79-83

3. Володин К.И., Трофимов В.М, Распределенная система хранения данных на базе беспроводной сенсорной сети // Современные информационные технологии: Международная научно-техническая ренция.- Пенза: ПГТА, 2008.- Выпуск 7.

4. Володин К.И., Дмитриенко А.Г.,Гордеев С.Н., Web-интерфейс систем мониторинга состояния пределенных объектов на базе сенсорных сетей // Современные информационные технологии: Труды дународной научно-технической конференции.- Пенза: ПГТА, 2007.- Выпуск 4.

5. Володин К.И., Ладиков С.В, Канал связи для распределенных сенсорных сетей на базе микроконтроллера Nordic NRF24E1 // Современные информационные технологии: Труды международной научнотехнической конференции.- Пенза: ПГТА, 2007.- Выпуск 4.

6. Володин К.И., Применение модельно-ориентированного подхода при сквозном проектировании адаптивных распределенных сенсорных сетей // Инновационные технологии в экономике, информатике и медицине. VIII Межрегиональная научно-практическая конференция студентов и аспирантов. Сборник статей. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад.,2011. - 266 с.

7. Володин К.И., Интеграция беспроводных сенсорных сетей с сетями стандарта IEEE 802.11x и сетями сотовой связи // Тезисы XII Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике (осенняя открытая сессия)(Сочи - Адлер, 1 - 8 октября 2011 г.)

8. Володин К.И., Интеллектуальная информационная система удаленных измерений для сбора и анализа мета-информации о работе беспроводных сенсорных сетей // Тезисы XII Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике (осенняя открытая сессия)(Сочи - Адлер, 1 - 8 октября

Режим доступа: http://www.arduino.cc/

[Электронный

ресурс].

Режим

доступа:

2011 г.)

9. Официальный сайт Arduino [Электронный ресурс].

Nordic VLSI // http://www.nordicsemi.com/

10. Официальный сайт Arduino

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoShields

11. Официальный сайт Arduino

http://arduino.cc/en/Main/Software

12. Официальный сайт компании MathWorks / Раздел academia/ arduino-software [Электронный ресурс] . - Режим доступа: http://www.mathworks.com/academia/arduino-software/, свободный.

13. Официальный сайт компании MathWorks [Электронный ресурс]. http://www.mathworks.com/, свободный.

14. Официальный сайт компании MathWorks / раздел Products/ [Электронный ресурс]. тупа: http://www.mathworks.com/products/embedded-coder/, свободный.

15. Официальный сайт компании MathWorks / раздел Products/ [Электронный ресурс]. тупа: http://www.mathworks.com/products/simulink-coder/,свободный.

16. Официальный сайт компании MathWorks / раздел Products/ [Электронный ресурс]. тупа: http://www.mathworks.com/products/matlab-coder/,свободный.

17. Официальный сайт компании MathWorks / раздел Products/ [Электронный ресурс]. тупа: http://www.mathworks.com/products/instrument/,свободный.

18. Официальный сайт компании MathWorks / раздел Products/ [Электронный ресурс]. тупа: http://www.mathworks.com/products/stateflow/,свободный.

19. Официальный сайт компании MathWorks / раздел Products/SimEvents Режим доступа: http://www.mathworks.com/products/simevents/, свободный.

- Режим доступа:

ресурс]. - Режим дос-

лектронный ресурс]. -

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Володин К. И., Переходов А. И.