Структура информационного узла передачи данных при мониторинге окружающей среды Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Y

СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННОГО УЗЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

DOI 10.24411/2072-8735-2018-10007

Антонников Дмитрий Олегович, Ключевые слова: мониторинг, датчик, окружающая

ФГКОУ "М0ск0вск0е СБУ МО РФ", Москва, Россия, среда, мощность передатчика, помехозащищенность,

[email protected] четырёхпозиционный сигнал, компьютерная

информационно-измерительная система.

Предметом исследования является контроль окружающей среды в условиях кризисных ситуаций с использованием разработанной компьютерной информационно-измерительной системы (КИИС) двойного назначения. Для решения поставленных задач использовались методы теории информационно-измерительной техники, теории погрешностей, акустики, математического моделирования, методы проектирования микропроцессорных систем управления, системного анализа. Система позволяет измерять параметры окружающей среды: уровень радиационного фона, температуру воздуха, воды, удельную электропроводность, суммарную концентрацию веществ, рН, содержание отдельных металлов и их солей (по выбору), определять наличие приоритетных загрязнителей воздуха (оксидов углерода, азота, серы, формальдегид) и др. Сбор информации осуществляется с помощью КИИС, устанавливаемой в радиусе 100 м. Подключение, выбор и количество датчиков определяются задачами мониторинга. Разработаны специальные сервисные функции, по которым процесс измерений происходит автоматически без участия оператора. Главная особенность системы заключается в том, что она может работать в реальном времени, то есть измерения параметров окружающей среды, обработки результатов измерений и передачи данных по заданному адресу происходят одновременно благодаря конвергенции программных продуктов и телекоммуникационных сетей. Есть возможность ведения текстового диалога между удаленными абонентами. Групповая скорость передачи информации составляет 2 Мбит/с. Показана необходимость использования четырехпозиционного фазоманипулированного сигнала ФМ-4 для обеспечения высокой эффективности линий дальней связи. Для обеспечения минимальной мощности передатчиков используемых беспроводных систем передачи информации - УКВ, радиорелейных и спутниковых систем, а также повышения их помехозащищенности при воздействии широкополосной заградительной помехи безальтернативной является использование четырехпозиционного фазоманипулированного сигнала ФМ-4, позволяющего повысить эффективность системы на 10,5 дБ. Предложен квазиоптимальный помехоза-щищенный набор шумоподобных сигналов который позволяет уменьшить ширину полосы радиоканала 1,57 раза, а интегральный коэффициент эффективности в 6,3 раза (на 7,9 дБ) лучше, чем при применении временного метода разделения каналов.

Информация об авторе:

Антонников Дмитрий Олегович, аспирант Московского технического университета связи и информатики, преподаватель ФГКОУ "Московское СБУ МО РФ", Москва, Россия

Для цитирования:

Антонников Д.О. Структура информационного узла передачи данных при мониторинге окружающей среды // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №1. С. 36-39.

For citation:

Antonnikov DO. (2018). Structure of information node data transmission in monitoring environment. T-Comm, vol. 12, no.1, pр. 36-39.

(in Russian)

T-Comm ^м 12. #1-2018

7TT

т

1. Введение

Важнейшими требованиями к системам является минимальная мощность передатчиков с целью минимизации вредного влияния радиоизлучения па здоровье людей, обеспечения электромагнитной совместимости устройств с соседними радиоэлектронными средствами, а также экономии мощности электропитания, особенно при использовании аккумуляторов.

В реальных условиях эксплуатации информационного узла возможно наличие широкополосной заградительной помехи, поэтому повышенная помехозащищенность систем также является важным требованием. ] 1ри организации мониторинга окружающей среды с использованием большого Количества различных датчиков в оперативно выделенном регионе е критическим состоянием окружающей среды, актуальной задачей является передача информации на центральный пункт Министерства чрезвычайных ситуаций (МЧС) с номощыо мобильного многоканального информационного узла |1J. При этом для решения данной задачи безальтернативными являются беспроводные ультракоротковолновые (УКВ) радиосистемы, спутниковые и радиорелейные системы (РРС),

2. Разработка системы мониторинг а окружающей среды

с использованием мобильною информационною узла

На основе выполненных исследований предложена методика проектирования и разработки многоканальной компьютерной информационно-измерительной системы (КИИС) определения параметров окружающей среды, которая дает возможность автоматизировать работу, повысить точность измерений, организовать передачу данных, существенно уменьшить размеры и мае су аппаратуры, расширить ее функциональные возможности [1]. Промышленные аналоги предложенной КИИС отсутствуют. Есть отдельные измерительные системы для нефтяной промышленности, контроля водной среды, воздуха, для контроля радиации атомных электростанций и т.д.

Система позволяет измерять параметры окружающей среды: уровень радиационного фона, температуру воздуха, воды, удельную электропроводность, суммарную концентрацию веществ, рН, содержание отдельных металлов и их солей (да выбору): литий, натрий, калий, кальций, барий, серебро, ртуть, свинец, медь, кадмий, аммоний, перхлорат, нитраты, карбонаты, фториды, цианиды, роданиды, хлориды, бромиды, йодид; определять наличие приоритетных загрязнителей воздуха (оксидов углерода, азота, серы, формальдегид) и др. В зоне с возни юней критической экологической ситуацией организуется система мониторинга с размещением в центре зоны мобильного информационного узла, осуществляющего сбор информации от установленных датчиков [4] {рис. 1).

Сбор информации осуществляется с помощью КИИС, устанавливаемой в радиусе 100 м. Подключение, выбор и количество датчиков определяются задачами мониторинга. Разработаны специальные сервисные функции, по которым процесс измерений происходит автоматически безучастия оператора.

Информация от компьютера передается (4а приемники мобильною информационного узла по технологии Wi-Fi, от которого информация поступает на информационный узел МЧС через лини дальней связи: УКВ (до 100 км) или радио-

релейные линии (до 500 км) или линии спутниковой связи (свыше 500 км). Возможно использование ближайшего промежуточного коммутационного узла сети общего пользования с передачей информации на него через УКВ сеть, ресурсы мобильной связи или радиорелейную линию.

Основой КИИС является однокристальный 8-разрядный микроконтроллер PIC16F876 фирмы Microchip Technology Incorporated, Возможно применение более мощных и доступных аналогов Raspberry Pi и Л г dm по - это готовые платформы (платы) с определенным набором интерфейсов, что ограничивает подключение большого количества датчиков. Платформа может работать при наличии напряжения от 6 до 20 В. Однако при напряжении менее 7В работа будет неустойчивой, ток потребления 10-30 мА.

PIC16F876 имеет защиту памяти программ, режим энергосбережения, тактовую частоту - 20 МГц, высокоскоростную архитектуру, все команды выполняются за один цикл, питание +2 - 5,5В, малое потребление электрического тока. Если в активном режиме потребление микроконтроллера PIC16F876 составляет 4-10 мА, то в режиме Power Down с включенным сторожевым таймером оно находится на уровне 4 мкА, а при выключенном сторожевом таймере - еще на порядок меньше (около 0,2 мкА) что очень важно при работе в полевых условиях. Микроконтроллер работает по заданной программе. После анализа языков программирования был выбран язык С++. Операционная система осуществляет визуализацию данных на мониторе без дополнительных программ. Результаты мониторинга окружающей среды формируются в файлы. В операционной системе Windows создается файловый вебсервер с помощью программы HTTP File Server.

Главная особенность системы заключается в том, что она может работать в реальном времени, то есть измерения параметров окружающей среды, обработки результатов измерений и передачи данных по заданному адресу происходят одновременно благодаря конвергенции программных продукта и телекоммуникационных сетей. Есть возможность ведения текстового диалога между удаленными абонентами. Компьютерная система позволяет обрабатывать сигналы десятков датчиков. Групповая скорость передачи информации составляет 2 Мбит/с.

Обеспечить выполнение требований минимальной мощности передатчиков и повышенной помехозащищенности возможно путем применения эффективной манипуляции сигнала с использованием результатов выполненных исследований [4].

Основной целью расчета радиолинии связи является определение минимальной мощности передатчика, достаточной для необходимой ошибки приема сигнала. Для расчета мощности передатчика используем формулу [6]

л2с]с2

где /? - протяженность линии связи: к - постоянная Больцмана, к = 1,38 х [О*33 Вт/ Гц Град; Т— эффективная шумовая температура приемной системы; Д/'- полоса пропускания приемного тракта; у — отношение сигнал/шум на входе приемника; Ь - затухание сигнала в линии связи; X - длина волны; О], С; -коэффициенты усиления антенн передатчика и приемника.

3. Определение параметров эффективного канала связи

У

Y

4. Выводы

1. Предлагаемый мобильный информационный узел с использованием компьютерной системы мониторинга датчиков измерения параметров окружающей среды и эффективном использовании каналов связи, можно оперативно наблюдать за показаниями измерительного процесса с места аварии в подразделениях МЧС, НИИ России и других заинтересованных ведомствах.

2. Для обеспечения минимальной мощности передатчиков используемых беспроводных систем передачи информации - УКВ, радиорелейных и спутниковых систем, а также повышения их помехозащищенности при воздействии широкополосной заградительной помехи безальтернативной является использование четырехпозиционного фазоманипу-лированного сигнала ФМ-4, позволяющего повысить эффективность системы на 10,5 дБ.

3. Предложен квазиоптимальный помехозащищенный набор шумоподобных сигналов который позволяет умень-

COMPUTER SCIENCE

шить ширину полосы радиоканала 1,57 раза, а интегральный коэффициент эффективности в 6,3 раза (на 7,9 дБ) лучше, чем при применении временного метода разделения каналов.

Литература

1. Мелышк С., Антоннчков Д. Контроль окружающей среды: информационно-измерительная система двойного назначения // Первая Миля, №7(60), 2016. С. 68-71.

2. Антонников ДО. Роботизированный многофункциональный комплекс МКР-15 // Московский суворовец, №5, 2015. С. ! 0.

3. Семенко А,И.. Бокла Н.И.. Домрачева Е.А., Шеспюпал Е.А. Анализ влияния видов манипуляции сигнала на энергетику радио........ // Связь, №1(114), 2017. С. 40-43.

4. Кантор Л.Я. Справочник по спутниковой связи и вещанию. М.: Радио и связь, 1984. 344 с.

5. В тьме С толлинге Беспроводные линии связи и сети. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003, 639 с,

6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. 1104 с.

STRUCTURE OF INFORMATION NODE DATA TRANSMISSION IN MONITORING ENVIRONMENT

Dmitry О. Antonnikov, Moscow Technical University of Communications and Informatics,, Moscow, Russia; Moscow Suvorov Military School of the Ministry of Defense of the Russian Federation, Moscow, Russia, [email protected]

Abstract

The subject of the study is environmental monitoring in crisis situations using the developed computer information and measuring system (QMS) of dual purpose. To solve the problems, the methods of the theory of information-measuring technology, the theory of errors, acoustics, mathematical modeling, methods for designing microprocessor control systems, and system analysis were used. The system makes it possible to measure the parameters of the environment: the level of the radiation background, the temperature of air, water, the conductivity, the total concentration of substances, pH, the content of individual metals and their salts (optional), determine the presence of priority air pollutants (carbon oxides, nitrogen, sulfur, formaldehyde) and etc. The information is collected using CIMS installed within a radius of 100 meters. Connection, selection and number of sensors are determined by monitoring tasks. Special service functions have been developed, according to which the measurement process takes place automatically without operator participation. The main feature of the system is that it can work in real time, that is, measurements of environmental parameters, processing of measurement results and data transmission at a given address occur simultaneously due to the convergence of software products and telecommunications networks. It is possible to conduct a text dialogue between remote subscribers. The group data transfer rate is 2Mbit / s. The necessity of using a four-position phase-shift signal FM-4 is shown to ensure high efficiency of long-distance communication lines. To ensure the minimum power of the transmitters of the wireless information transmission systems used - VHF, microwave and satellite systems, as well as to increase their noise immunity under the influence of broadband interference, the use of a four-position phase-shifted FM-4 signal making it possible to increase the system efficiency by 10.5 dB is non-alternative. A quasi-optimal noise-proof set of noise-like signals is proposed that allows to reduce the bandwidth of the radio channel by 1.57 times and the integral efficiency factor 6.3 times (by 7.9 dB) better than using the time-based channel separation method.

Keywords: monitoring, sensor, environment, transmitter power, noise immunity, four-position signal, computer information measuring system. References

1. Melnik S., Antonnikov D. (2016). Environmental monitoring: information-measuring system of dual-use. First Mile, no. 7 (60), pp. 68-71.

2. Antonnikov D.O. (2015). Robotic multifunctional complex MKR-15. Moscow Suvorovets, no. 5. P. 10.

3. Semenko A.I., Bokla N.I., Domracheva E.A., Shestopal Ye.A. (2017). The analysis of the influence of the types of signal manipulation on the power of the radio line. Communications, no. 1 (114), pp. 40-43.

4. Cantor L.Ya. (1984). Reference book on satellite communication and broadcasting. Moscow: Radio and Communication. 344 p.

5. Wilms Stallings. (2003). Wireless communication lines and networks. Moscow: Publishing house "Williams". 639 p.

6. Sklyar B. (2004). Digital communication. Theoretical bases and practical application. Moscow: Williams Publishing House. 1104 p.

Information about author:

Dmitry O. Antonnikov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Teacher of Federal State Educational Institution "Moscow Suvorov Military School of the Ministry of Defense of the Russian Federation", Moscow, Russia

7TT