Разработка предложений по построению беспроводных систем экологического мониторинга на транспорте

Таблица 3.4 — Технические параметры реле 845HN-1C-C 05VDCПараметр

ЗначениеТок питания обмоткипостоянный.

Классификация реле по начальному состояниюмоностабильное.

ПоляризациянейтральноеТок срабатывания не более, мА15Сопротивление обмотки, Ом340Номинальное рабочее напряжение, В3Контактный набор1 перекл. Максимальный коммутируемый, А10Максимальное коммутируемое переменное напряжения, В240Термокаталитические сенсоры типа ТКС при включении их в стандартную схему измерительного моста применяются для преобразования концентрации углеродных газов (метана и других), оксидов серы и альдегидов в воздушной среде (входной сигнал) в электрический параметр (выходной сигнал). Данные датчики измеряют контролируемые параметры воздушной среды. Сенсор может быть использован в стационарных и переносных индикаторах, газоанализаторах для обнаружения и локализации утечек токсичных и горючих газов, а также измерения их довзрывных концентраций, если в конструкции указанных устройств предусмотрен защитный элемент сенсора по ГОСТ 24 032–80 и цепи питания которых искробезопасны по ГОСТ 22 782.

5−78. Функциональная характеристика выходного сигнала сенсора — линейная. Рисунок 3.8 — Сенсор термокаталитический.

Таблица 3.5 — Технические характеристики термокаталитического сенсора ТКСХарактеристики.

ЗначенияТКС-1Диапазон преобразования, % об. СН40 — 3Рабочее напряжение постоянного тока, В2,4 ± 0,05Ток потребления, мА, не более150Коэффициент преобразования (чувствительность), мВ / % CH4, не менее20Время прогрева, мин, не более5Время установления выходного сигнала, с, не более3Масса сенсора, г, не более3,5Габаритные размеры (без выводов), ммD 11×17,5Разность сопротивления рабочего и сравнительного чувствительного элемента, Ом, не более0,33.8 Разработка схемы электрической принципиальной и электрический расчёт функциональных узлов. Для питания микроконтроллера используется напряжение в диапазоне от 2,7 до 5,5 В. 10] Это позволяет использовать контроллер совместно с микросхемами, выбранными выше. Для упрощения всей схемы будем использовать напряжение питания 3,3 ВВключение всех микросхем, используемых в данной схеме, проводилось в соответствии с рекомендациями datasheet. Номиналы элементов обвязки также взяты из описания микросхем. Микроконтроллер имеет ограничение по суммарному току, протекающему через любой вывод питания, составляющий 300 мА. Максимальный ток через любой другой вывод не должен превышать 40 мА[10]. Для защиты выходных линий контроллера используем токоограничивающие резисторы.

Из [10] гарантированный ток вывода контроллера равен 10 мА. Зададимся значением в 7 мАДля управления коммутирующими реле используется усилитель на транзисторе BC847, включенный по схеме с общим эмиттером. Резистор в базовой цепи ограничивает потребляемый ток. Резистор в цепи база-эмиттер обеспечивает гарантированное закрытие транзистора при отсутствии управляющего сигнала на выводе контроллера. Рассчитаем требуемую мощность для 1 блока питания:

Потребление микроконтроллера ATMega 162 при частоте работы 8 МГц (ATMega 162L) составляет 9 мА. Следовательно, потребляемая мощность равна: мВт, где -потребляемый ток микросхемы- напряжение питания.

Потребление FT232R и GL808S составляет 53 мА, следовательно потребляемая мощность равна: мВт, где — ток потребления микросхем DA6 и DA7. Потребление блока индикации в максимальном режиме: Вт, — ток потребления ЖК индикатора с подсветкой. Суммарная потребляемая мощность равна:

мВт.Максимальный выходной ток стабилизатора мА, где — суммарная потребляемая мощность. Для стабилизации питающего напряжения наиболее целесообразно использовать интегральный понижающий стабилизатор напряжения. Поскольку напряжение питания блока составляет 12 В, то особых требований к стабилизатору по падению напряжения нет. Выбираем стабилизатор по и. Данным требованиям удовлетворяет микросхема LT1086, которая обеспечивает требуемую нагрузочную способность. Так как в режиме ожидания основной потребитель энергии — микроконтроллер и система индикации, а он автоматически переводится в режим пониженного энергопотребления и потребляет ток менее 1 мк.

А, поэтому механический выключатель питания использоваться не будет.

3.9 Выбор устройств уровня агрегации и ядра сети.

Сегодня беспроводные сенсорные сети, основанные на стандартах 802.

15.4/ZigBee, являются единственной беспроводной технологией, с помощью которой возможно решить критичные ко времени автономной работы датчиков задачи мониторинга и контроля. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть, датчики образуют распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Достоинства систем на основе сенсорных сетей:

возможность расположения в труднодоступных местах, в которые сложно или дорого протягивать обычные проводные решения;

оперативность и удобство развертывания и обслуживания системы;

надежность сети в целом — в случае выхода из строя одного из элементов информация будет передаваться через соседние элементы;

возможность добавления в сеть, или наоборот, исключения любого количества устройств;

хорошее прохождение сигнала сквозь препятствия (стены, потолки, деревья), а также стойкость к электромагнитным помехам (благодаря высокой частоте работы системы — 2,4 ГГц);длительное время автономной работы без замены элементов питания. Технология ZigBee- IEEE 802.

15.4Стандарт беспроводной связи ZigBee предназначен для использования в системах сбора данных и управления. Его основные показатели — малое энергопотребление, надежность передачи данных, защита информации, совместимость между устройствами от разных производителей. Сети ZigBee называют само образующимися и самовосстанавливающимися сетями, поскольку благодаря встроенному программному обеспечению при включении питания ZigBeeустройства умеют сами обнаруживать друг-друга, формируя сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов устанавливают новые маршруты для передачи сообщений. Таким образом, технология Zigbee может быть использована как для реализации простых соединений по типу «точка-точка» или «звезда», так и для образования сложных сетей с топологиями «дерево» и «ячеистая сеть» .Скорость передачи данных в сетях Zigbee достигает 250 кБит/c (вместе со служебной информацией). Технология ZigBee имеет частотных канала в диапазонах 868МГц, 915МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4ГГц.Радиус обхвата устройств Zigbee зависит от очень многих параметров. Расстояние между узлами в сети Zigbee измеряется сотнями метров на открытом пространстве, и десятками метров в помещении. При этом следует помнить, что зона покрытия ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, поскольку сеть автоматически наращивается за счет ретрансляции сообщений между узлами. Рисунок 3.9 — Топология проектируемой сети.

Данные, считанные с различных датчиков мониторинга экологической ситуации, подаются на узлы WSN Node, которые через протокол ZigBee передают полученную информацию на шлюзмаршрутизатор NI WSN-3720, расположенный на территории контролируеммого участка автодороги. Далее полученная информация по локальной сети Ethernet передается в систему сбора, анализа и передачи данных, где эти данные сохраняются, анализируются, и становятся доступными пользователям по сети Интернет. Нижеприведеныдва варианта топологиисетисиспользованием оборудования компании NationalInstruments. Топология основанная на базе PXI платформы.

Топология основанная на базе cRIO платформыс использованием GPS/GPRS модулябез использования GPS/GPRS модуля.

Конфигурация с GPS/GPRS имеет возможность синхронизации данных с помощью синхросигнала, получаемого с GPS спутника. Беспроводный маршрутизатор NIWSN-3720 подсоеденен к указанной выше системе сбора и анализа данных (PXI/cRIO) через локальную сеть (Ethernet). Полученные данные анализируются и одновременно передаются в сеть Интернет для дальнейшего контроля и мониторинга. Топология основанная на платформе PXIСистема, построенная на основе платформы PXI обладает возможностью синхронизации сбора данных по всем участкам (основанной на сигналах точного времени, получаемых через систему спутниковой навигации GPS), или же может работать без автономной синхронизации. В этом варианте для построения системы сбора данных (ССД) предлагается использовать промышленный контроллер на основе стандарта CompactRIONI cRIO-9022 Real-TimeControllerwith 256 MB DRAM, 2 GB Storage (производства компании NationalInstruments). К отличительным особенностям настоящего оборудования можно отнести гибкий модульный принцип построения системы и полностью программную конфигурацию, а также возможности самодиагностики, наращивания количества каналов и мощности системы. Использование операционной системы жесткого реального времени LabVIEWRT и LabVIEWFPGA в качестве программного ССД существенно повышает надежность всей системы в целом. Рисунок 3.10 -Измерительная платформа PXI/CompactPCINI cRIO-9022.

Модульные измерительные системы, базирующиеся на открытом промышленном стандарте PXI/PXIe (PCIeXtentionforInstrumentation) обеспечивают высокую производительность и обладают невысокой ценой. Промышленная измерительная платформа — PXI позволяет эффективно построить законченное решение для системы ввода/вывода сигналов, испытательного стенда или промышленной автоматики с широкими возможностями. PXI сочетает в себе промышленное исполнение и современные измерительные и компьютерные технологии, что позволяет рационально решать большое количество задач без ущерба для производительности. Используя такие системы, пользователь получает все преимущества технологии ПК, такие как низкая стоимость, простота использования и гибкость. PXI/PXIe система представляет собой шасси на базе встроенной высокоскоростной шины PCI (или PCIe), в которое могут быть установлены модули ввода/вывода.Возможности системы.

Шина PCI, лежащая в основе архитектуры PXI, и расширенные возможности синхронизации и тактирования позволяют создать на их базе высокопроизводительную контрольно-измерительную систему. Подбирая PXI модули из широкого диапазона измерительных устройств, производимых NationalInstruments и команиями-членами PXI альянса, вы можете создавать системы для различных приложений, от комплексных измерений до автоматизированного контроля качества. Преимущества PXIРынок PXI-продуктов постоянно растёт и насчитывает сегодня свыше 1150 различных измерительных модулей, поэтому вы сможете найти именно то оборудование, которое необходимо для вашего приложения. Архитектура ПК позволяет использовать высокопроизводительные процессоры в приложениях, требующих сложного анализа и математической обработки данных. Пропускная способность шины PCI составляет 132 МБ/с, что более чем в 100 раз превышает, пропускную способность GPIB интерфейса. Расширенные возможности синхронизации обеспечивают тесную интеграцию PXI модулей, чтопозволяет повысить точность измерений и создавать системы с большим количеством каналов. Одно PXI шасси может содержать до 17 измерительных модулей.

Используемое программное обеспечение аналогично ПОдля стандартных ПК, и поэтому не требует дополнительного времени на изучение, что упрощает процесс интеграции систем. Основные свойства:

Эффективные средства разработки программного обеспечения NILabVIEW, LabVIEWRT, LabVIEWFPGA;Выполнение программ под управлением операционной системы жесткого реального времени на платформе LabVIEWRT;FPGA (ПЛИС) для гибкой конфигурации каналов ввода вывода, выполнения первичных преобразований, фильтрации и других операций на аппаратном уровне;

Широкий выбор модулей ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов.;Виброзащищенный промышленный конструктив, (удар 50g, вибрации 5g, 500Гц);Расширенный диапазон рабочих температур (-40°С до +70°С);Компактность и низкое энергопотребление (не более 20Вт);Встроенные свойства синхронизации и тактирования;

Программное обеспечение.

В качестве базовой платформы для автоматизированной системы предлагается использовать PXI, контроллер ОС LabVIEWRT. Рабочее место оператора планируется реализовать на портативном компьютере, работающим под управлением ОС MicrosoftWindowsXPProfessional. В случае отсутствия специальных требований по условиям эксплуатации в качестве головного компьютерапульта управления (ПУ) может быть использован любой портативный или стационраный компьютер с ОС WindowsXP/SP2. В качестве среды разработки всей системы — графический язык программирования LabVIEW как для встроенного контроллера ССД, так и для компьютера, выполняющего вторичную обработку, хранение данных и взаимодействие с другими информационными системами. Модульный принцип построения.

В основу положен модульный принцип построения и программная конфигурация всей системы, что позволяет повысить надежность, сократить затраты на разработку и сопровождение системы за счет использования стандартных программных и аппаратных модулей. Система может быть легко расширена и модифицирована как по числу и свойствам каналов ввода измеряемых величин и управления системы сбора данных (ССД), так и по числу таких систем (блоков) подключаемых к одному пульту управления (ПУ).В состав каждого блока ССД входит:

Промышленный контроллер сRIO 9012 с операционной системой жесткого реального времени и картой памяти SD 128 Мбайт для резервного хранения данных. Контроллер оснащен последовательным интерфейсом для подключения переферийных устройств, например GPS приемника для определения координат и скорости движения объекта или измерителя температуры и влажности окружающего воздуха. Объединительная панель с 4 или 8 слотами для установки модулей ввода-вывода;

Измерительные модули для подключения датчиков со встроенным согласованием сигналов;

Рисунок3.

11 — Компоненты платформы Compact RIOКонструктивное исполнение cRIO и отсутствие каких-либо вращающихся элементов жесткий диск, вентиляторы и пр.) предполагает использование его в жестких условиях эксплуатации: диапазон рабочих температур от -40 °С до +70 °С, удар до 50g, вибрации до 5g в широком диапазоне частот, электрическая изоляция и горячая замена модулей, высокая надежность и большой срок службы. Компактный размер и низкое потребление позволяют использовать cRIO в качестве удобной платформы для встраиваемых приложений. Наличие встроенных коннекторных блоков, надежный ударопрочный, защищенный конструктив CompactRIO с модулями ввода-вывода, блоком питания и системой согласования могут использоваться как есть. В случае необходимости обеспечения дополнительной защиты они могут устанавливаться внутрь дополнительного ударопрочного конструктива на лицевую панель которого выведены контакты для подключения каналов с соответствующей маркировкой, индикаторы работоспособности ССД, коммуникационный интерфейсы, разъемы для подключения питания и органы управления питанием. В качестве основной платформы для создания системы предлагается использовать программно-аппаратные комплексы компании NationalInstruments, выбор обосновывается следующими причинами:

Целостность решения, поскольку и аппаратура и программное обеспечения для работыс ней (драйверы) и средства разработки программ (LabVIEW) поставляются как единая система;

Надежность систем NationalInstruments, как одного из мировых лидеров индустрииавтоматизированных измерительных систем, что обеспечивает высокое качество решения и техническое обслуживание на весь длительный период жизни системы;

Опыт работы исполнителя по созданию аналогичных систем в России. Состав системы.

Вариант системы экологического мониторинга может быть реализованы на основании рассмотренной платформы с различными необходимыми модулями расширения, в зависимости от выбранной конфигурации. Ниже приводится краткое описание модулей, применение которых возможно в описанных выше конфигурациях. NIPXI-1031 — PXI шасси форм-фактора 3U с универсальным блоком питания.

АСВозможность работы с модулями как 3UPXI, так и CompactPCI Автоматическая регулировка частоты вращения вентилятора Универсальный блок питания 300Вт Низкий уровень акустического шума (40 dBA) NIPXI-8104 RTПроцессор IntelCeleronM, работающий на частоте 1.86ГГц с LabVIEWReal-TimeПлатформа для развертывания приложений LabVIEWReal-TimeОперативная память 512 MB (1×512 MBDIMM) двухканальная память DDR2, работающая на частоте 533МГц, максимум 2 GBСетевой адаптер 10/100/1000BASE-TX (гигабит) и 4 высокоскоростных USB порта.

Интегрированный жесткий диск, последовательный порт, и прочие порты ввода/вывода для периферийных устройствNI PXI-6682GPS, IEEE 1588 и IRIG-B Модуль таймингов и синхронизации для PXIСинхронизация PXI систем при помощи GPS, IEEE 1588.

Содержит высокостабильный TCXO (1 ppm) на частоту 10 МГцПереключение внутренних или внешних источников тактового сигнала и пусковых сигналов.

Поддержка активной GPS антенны.

Два порта Ethernet, встроенные Веби файловые серверы и возможностью удаленного администрирования.

Высокоскоростной USB хост-порт для подключения USBфлеш-дисков, прочих устройств памяти.

Последовательный порт RS232 для подключения периферийных устройств; поддержка биполярного питания от 9 до 35 В. Рабочая температура от -20 до 55 °CШлюзы-маршрутизаторы WSNEthernet-ZigBee модели NIWSN-3720.

Шлюзы — маршрутизаторы NI WSN-3720Ethernet-шлюз NI WSN-3720 предназначен для управления взаимодействием между распределенными измерительными узлами и принимающим контроллером в сети беспроводных датчиков NI. Шлюзы — маршрутизаторы NI WSN-3720 работают на частоте 2.4 ГГц, имеют внешнюю антенну. Питание от источника постоянного тока достигает до 9 — 30 В. К каждому маршрутизатору может быть подключено до 255 узлов сбора данных. Механические характеристики:

Питание от источника постоянного тока 9−30 ВК каждому маршрутизатору может быть подключено до 255 узлов сбора данных Механические характеристики.

Пластмассовый корпус с винтовыми клеммными зажимами.

Панельное крепление или крепление по стандарту DINТемпературный диапазон -40 +70 °С, ударои виброустойчивое исполнение.

Прочие особенности.

Возможность работы с LabVIEWReal-TimeВозможность получения питания по сетевому кабелю (Power over Ethernet) Состав программного обеспечения.

Программное обеспечение системы состоит из двух или трех основных частей, в зависимости от конфигурации:

Программное обеспечение, устанавливаемое в узле NIWSN-3214.

Программное обеспечение, работающее на выбранном устройстве сбора, анализа и передачи данных.

Программное обеспечение, устанавливаемое в узле NIWSN-3214 В узле может быть помещен LabView код для управления датчиками и получаемой от датчиков информацией. Соответствующее программное обеспечение должно быть помещено в память микроконтроллера узла. Программное обеспечение устройства сбора, анализа и передачи данных.

Поступающие с датчиков данные передаются с узла по протоколу ZigBee на шлюзмаршрутизатор, а оттуда, по локальной сети (Ethernet) в устройство сбора, анализа и передачи данных, расположенное на территории. От выбранной конфигурации устройства сбора, анализа и передачи данных (PXI/cRIO) зависит соответствующее программное обеспечение, а также необходимость специального оконечного пользовательского программного обеспечения для доступа к данным. Как было отмечено выше, для осуществления проекта могут быть выбраны различные конфигурации оборудования NationalInstruments. В конфигурации с использованием платформы PXI программное обеспечение может поддерживать встроенный в систему веб-сервер, в который может быть интегрирован доступ к картам GoogleMap. В этом варианте собранные и проанализированные системой данные могут быть доступны, при помощи обычного интернет-обозревателя (браузера). Глава 4. Разработка предложений по совершенствовонию беспроводных сетей систем экологического мониторинга4.

1 Расчет зоны покрытия.

Классические методы расчета напряженности поля вдоль различных видов трасс распространения радиоволн — это метод Okumura и Hata. Для оценки зоны уверенного приема при использовании технологии ZigBee, необходимо учитывать влияние подстилающей поверхности в расчетах, как правило, учитывается множителем ослабления. От того в каком виде он представляется, зависит точность расчета. Распространение радиоволн внутри зданий во многом зависит от внутренней планировки помещений, типа и материала стен и т. д. [12, 24]. При расчетах будем использовать следующие параметры:

выходная мощность 10 дБм; UE — абонентский терминал, класс 4 — ЭИИМ 23 дБм;Расчет максимально допустимых потерь производится по формуле: OL (4.1)где Pэиим.

прд — эквивалентная излучаемая мощность передатчика; Sч. пр — чувствительность приемника;GА.прд — коэффициент усиления антенны передатчика, GА. прд: DL = 18 дБи, UL = 0 дБи;LФ.прд — потери в фидерном тракте передатчика, LФ. прд: DL = 0,3 дБ;Мпрон — запас на проникновение сигнала в помещение для городской местности, Мпрон = 15 дБ;Mпом — запас на помехи. Мпом определяется по результатам расчета системного уровня в зависимости от нагрузки в соседних сотах; значение Мпом соответствует нагрузке в соседних сотах 70%. Mпом: DL = 6,4 дБ; UL = 2,8 дБ;Gхо — выигрыш от хэндовера. Значение выигрыша от хэндовера — результат того, что при возникновении глубоких замираний в обслуживаемой соте, абонентский терминал может осуществить хэндовер в соту с лучшими характеристиками приема. Gхо = 1,7 дБ. OL=24 дБ — параметр, учитывающий затухание сигнала в стенах и перегородках помещения. Значение для стен толщиной до 7 см и перегородок из гипсокартона[18]Pэиим.

прд рассчитывается по формуле: (4.2)где Рвых.

прд — выходная мощность передатчика. В пределах до 5 МГц рационально выбрать передатчики TRX мощностью 10 дБм, Sч. пррассчитывается по формуле: (4.3)где Ртш. пр — мощность теплового шума приемника, Ртш. пр: DL = -114,4дБм, UL = -103,4 дБм;Мосш.

пр — требуемое отношение сигнал/шум приемника. Значение Мосш.

пр взято для модели канала «EnhancedPedestrianA5». Мосш.

пр: DL = -0,24 дБ; UL = 0,61 дБ;Lпр — коэффициент шума приемника, Lпр: DL = 7 дБ, UL = 2,5 дБ;Для линии DL: Sч. пр = -114,4 + (-0,24) + 7 = -107,64 (дБм), Для линии UL: Sч. пр = -103,4 + 0,61 + 2,5 = -100,29 (дБм).С учетом полученных результатов, рассчитаем значение МДП: Для линии DL: LМДП = 23 — (-107,64) — 15 — 6,4 — 8,7 — 1,7 -24= 74,2 (дБ), Для линии UL: LМДП = 23 — (-100,29) + 3 — 0,4 — 15 — 6,4 — 8,7 + 1,7−24 = 75,2 (дБ).Для определения дальности связи воспользуемся графиком на рисунке 2.

5.Если на участке максимальное системное усиление равно 75,2 дБм, то максимальный радиус зоны покрытия БС порядка 100 м. Рисунок 4.1 — Зависимость дальности распространения сигнала от уровня усиления.

4.2Расчет линии потерь.

Многочисленные исследования характеристик маломощных беспроводных каналов связи показали, что в реальных системах качество связи значительно колеблется. Кроме того, соединение между узлами ассиметричны, т. е. вероятность успешного приема от передатчика к приемнику не равна вероятности успешной передачи в обратном направлении. Для определения распространения сигнала внутри помещения используется формула определения распределения потерь в тракте: (4.4)гдеPtдБ — мощность сигнала передающей антенны;

РrдБ — мощность сигнала, поступающего на антенну приемника;λ - длина волны несущей;d — расстояние, пройденное сигналом между двумя антеннами;GtдБ — коэффициент усиления передающей антенны;GrдБ — коэффициент усиления антенны приемника. Для вычисления ослабления того же значения в открытом помещении в децибелах следует взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить полученный результат на 10. 1] (4.5)Модель логарифмически-нормального распределения потерь в тракте: (4.6)PtдБ= 100 м Вт (10 дБм), GtдБ=1, GrдБ=1 ,λ=0,125 м, d=100 м, следовательно рассчитаем мощность сигнала, поступающего на антенну приемника: Модель логарифмически-нормального распределения потерь в тракте с учетом ослаблений за счет препятствий:(4.7)где — затухание на эталонном расстоянии;

— нулеваягауссовая случайная величина в децибелах стандартным отклонением, значения взяты с интернет сайта;[11]- расстояние между передатчиком и приемным модулем;

расстояние между передатчиком и приемным модулем (100м в помещении);

— показатель степени потерь в тракте (среднее значение для офисных помещений n= 3 с отклонением в 7дБ);Из уравнений выше можно выразить: (4.8)где — частота модуля равная — 2400 МГц; расстояние между модулями внутри помещения допустимо 100 м,.Подставляя данные получаю следующие значения:

4.3 Определение факторов влияющих на скорость и качество связи.

Приорганизациибеспроводнойлокальнойсетинеобходимоучитыватьнекоторыеособенностиокружающейсреды. На дальность работы, скорость связи и устойчивость подключения влияют множество факторов:

Отношение сигнал/шум в точках расположения антенн приемника и передатчика Это отношение зависит от шумов и помех на используемых частотах, наличия других мешающих беспроводных сетей, работающих на тех же или соседних каналах, наличия помех от промышленного оборудования, наличия беспроводных аналоговых систем передачи виде, работающих на тех же частотах и т. д. Без наличия соответствующих приборов (анализаторов спектра) оценить соотношение сигнал/шум на выбранном канале невозможно. Обычно отношение сигнал/шум можно оценить только на практике после установления связи и при наличии большого уровня помех бывает необходимо отстроиться от них, перейдя на другие каналы или даже на другой диапазон. Наличие препятствий на пути распространения сигнала.

Если на пути распространения сигнала есть объекты, мешающий его распространению, то на расстоянии более 100 метров отсутствие связи практически гарантировано Объекты, мешающие распространению радиосигналы, могут быть любыми, наиболее распространены здания, линии электропередач, деревья и т. д. Очень часто недооценивают влияние деревьев. Следует учитывать, что один метр кроны ослабляет сигнал до 6 дБ. Для устранения препятствий можно изменить место установки антенн, поднять антенны выше препятствий. 23]Наличие препятствия в зоне Френеля.

Зона Френеля — это область вокруг линии прямой видимости, в которой распространяются радиоволны. Как правило, перекрывание 20% зоны Френеля не вызывает больших потерь сигнала. Но при перекрывании более 40% потери становятся уже значительными. Рисунок 4.2 — Пример ограничения зоны Френеля.

На расстояниях более десяти километров для расчета прямой видимости радиосвязи кроме рельефа необходимо учитывать кривизну земли. Таблица 4.1 — Размеры зон Френеля.

Расстояние между антеннами, мТребуемый радиус первой зоны Френеля на частоте 2.4 ГГц, мТребуемый радиус первой зоны Френеля на частоте 5 ГГц, м303,062,1 216 074,980015,8110,95 100 017,6812,25Влияние погоды беспроводную связь с Wi-Fi камерами.

Природные явления, такие как дождь, туман и снег незначительно влияют на стабильность беспроводной связи. Некоторое влияние оказывает сильный дождь или сильный туман. Влияние погодных условий становится заметно при частотах выше 4 ГГц, поэтому в системах на 2.4 ГГц влияние погоды будет незначительно. Диапазон 2.4 ГГц достаточно плотно занят, а влияние погоды на 5 ГГц диапазон пренебрежимо мало на расстояниях порядка 70 м. 4.4 Анализ уязвимостей беспроводных сетей.

Уязвимости присущие беспроводным сетям стандарта IEEE 804.

15,4 неотделимы от них и обуславливаются недостатками процесса функционирования, свойствами архитектуры сети, протоколами обмена и интерфейсами, применяемыми программным обеспечением и аппаратной платформой, условиями эксплуатации и расположения. Рассмотрим подробнее каждый из этих видов.

1. Диапазон рабочих частот большинства беспроводных сетей является не лицензируемым. В диапазоне рабочих частот 2,4 ГГц работают некоторые модели радиотелефонов, бытовые устройства, которые создают помехи. Все сети подвержены влиянию следующих явлений, связанных со средой передачи [3]: помехи от других источников, в частности от передатчиков, работающих на той же частоте, обертоны от других радиоэлектронных станций, шум от силовых устройств;

многолучевые эффекты при прохождении листвы деревьев, находящиеся в сильной зависимости от ветра;

влияние прочих препятствий. Помимо проблем связанных с распространением радиоволн, среда передачи определяет следующую проблему. Информация, циркулирующая в беспроводных сетях подвержена перехвату. Это объясняется тем, что переносчиком информации являются радиоволны. Т. е. для перехвата информации злоумышленнику достаточно иметь недорогой набор устройств, аналогичный комплекту оборудования пользователя беспроводной сети [4]. 2. Основными системами аутентификации в беспроводных сетях являются базовая аутентификация. Уязвимость открытой аутентификации. Открытая аутентификация не позволяет узлу определить, является ли абонент легитимным или нет.

Это становится серьезной брешью в системе безопасности в том случае, если в беспроводной сети не используется шифрование [18]. 3. Драйверы беспроводных устройств разрабатываются без надлежащего внимания к безопасности, и новые функции добавляются в спешке ради конкуренции, поэтому код часто изобилует ошибками и небезопасен. В настоящее время существует множество инструментов, позволяющих использовать уязвимость драйверов беспроводных адаптеров. Один из них во многих средах драйверов способен вызывать переполнение карт беспроводной сети кадрами 804.

15.4 Если пакеты вызывают сбой работы драйвера, нарушитель получает возможность выполнить неавторизованный код.

4. Уязвимость, обусловленная человеческим фактором, проявляется в нежелании или неумении операторов беспроводных сетей защититься от несанкционированного доступа. Примером уязвимости данного вида может служить потеря одного сетевого интерфейса и несвоевременное извещение администратора. Результатом такой утери или преднамеренного хищения может стать беспрепятственный доступ злоумышленника к беспроводной сети.

Заключение

.

В данной выпускной квалификационной работе разработана беспроводная сервисная сеть экологического мониторинга состояния воздушной среды на основе технологии IEEE 804.

15.4 ZigBee. Данная технология позволяет строить сенсорные самоорганизующиеся сети сбора данных основное назначение которых — организация мониторинга за каким-либо объектом либо протекающим технологическим процессом.

Спроектированная сеть экологического мониторинга ставит своей целью обеспечить контроль для заданного района над состоянием воздушной среды в зависимости от ее загрязнения выхлопными газами автотранспорта. Проблема загрязнения токсичными выбросами автотранспортных средств с каждым гобом становится все более актуальной в виду возростающего количества автотранспорта особенно в крупных городах и мегаполисах. Это позволяет охарактеризовать тему данной работы как актуальную и своевременную. В работе рассмотрены алгоритмы проектирования и функционирования беспроводной сенсорной сети, разработана математическая модель БСС высокой надежности. Также произведено конструирование устройства сбора данных, являющегося узлом БСС, которое позволяет производить измерения параметров воздушной среды и передавать их оператору СЭМ. Система может быть легко модернизирована для решения различных функций посредством подключения различных датчиков, что делает данное устройство универсальным и перспективным. Разработанное устройство полностью удовлетворяет всем требованиям технического задания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Городская среда: состояние и пути улучшения.

— Магадан: Кордис, 2008. — 102 с. Цыплакова Е. Г. Приборы и методы контроля и мониторинга воздействия автотранспорта на атмосферный воздух северных городов. Докторская диссертация.

— СПб., СЗТУ, 2014. — 334 с. Волкодаева М. В. Научно-методические основы оценки воздействия автотранспорта на атмосферный воздух.

Докторская диссертация. — СПб., СЗТУ, 2010. — 320 с. ZigBee/802.

15.4. — Компоненты беспроводных технологий: сайт компании «Компел»;

http://www.compel.ru/catalog/wireless/zigbee.Пушкарев О. И. Построение ZigBee-сети на базе готовых устройств компании Digi, Журнал Беспроводные технологии № 3'2011.М.Соколов. Программно-аппаратное обеспечение беспроводных сетей на основе технологии Zigbee/802.

15.4 // Электронные компоненты. — № 12.

Салим А.А.Э. А. Разработка алгоритмов выбора головного узла в кластерных беспроводных сенсорных сетях: автореф. дис. … канд. техн. наук. — СПб.: СПбГУТ, 2010. — 27 с. Прокопьев А. В. Разработка и исследование моделей нагрузки в беспроводных сенсорных сетях: автореф. дис. канд. техн. наук. ;

СПб.: СПбГУТ, 2012. — 19 с.М. А. Кисляков, С. Г. Мосин, В. В.

Савенкова Проектирование беспроводных сенсорных сетей. Изв. ВУЗов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 8Тревис Д. L.

ab VIEW для всех: Пер. с англ. Клушин Н. А. — М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005. — 544с. Пушкарев О. И. «Выбор беспроводной технологии:

советыначинающему разработчику". Журнал Встраиваемые системы № 3'2010.

Жевак А. В. Моделирование и оптимизация сбора данных в беспроводной сенсорной сети на основе фиксированного расписания: автореф. дис. … канд. техн. наук. — Уфа: УГАТУ, 2008. — 16 с. Акимов Е. В., Кузнецов М. Н. Вероятностные математические модели для оценки надежности беспроводных сенсорных сетей // Труды МАИ.

— 2010. — Вып.

№ 40. — 13 с. Недев М. Д. Синхронизация времени в сенсорных сетях // Программные системы: теория и приложения. — 2011. ;

С. 71−83.Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров / В. Трамперт; пер. с нем. — Киев.: МК-Пресс, 2006. -.

208 с. Акимов Е. В., Кузнецов М. Н. Вероятностные математические модели для оценки надежности беспроводных сенсорных сетей // Труды МАИ. ;

2010. — № 40. — С.

121−137.Гольдштейн Б. С., Кучерявый А. Е. Сети связи пост-NGN. — СПб. :

БХВ-Петербург, 2013. — 160 с. Кравченко А. В. 10 Практических устройств на AVR-микроконтроллерах. Книга 1 — М.:Издательский дом «Додэка-XXI», Киев «МК-Пресс», 2008.-224с.; Ил. Кестер У. Аналогово-цифровое преобразование / Под ред. У. Кестера.

— М.: Техносфера, 2007. — 1016 с. Глонасс_GPS приемник GL8088S. Режим доступа:

https://ptelectronics.ru/wp-content/uploads/glonass-priemnik_ml8088se.pdfВолович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств Г. И. Волович.- М.: Додэка-XXI, 2005. -528 с. ATMEL 8-разрядный AVR-микроконтроллер ATmega 164. Datasheet [Электронный ресурс]URL.:

http://atmel.ru.LM317. 1.2V to 37V voltage regulator. Datasheet [Электронный ресурс]URL:

http://www.datasheetarchive.com/LM317T-datasheet.html.Никитинский В. З. Маломощные силовые трансформаторы / В. З. Никитинский. — М.: Энергия, 1968. — 47 с. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др.

— М.: Радио и связь, 1994. — 240 сПетров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / И. В. Петров.

— М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 256 с. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров /А.-Й. К. Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р. Л. Пошюнас и др.; Под.ред.

А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса. — М.: Радио и связь, 1988.

— 224 с. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. — М.: Додека-XXI, 2007.

— 592 с. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры / Р. В. Хемминг. -.

М.: Недра, 1987. — 221 с. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоулд. — М.: Мир, 1978.

— 847 с. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С. И. Баскаков.

— М.: Высшая школа, 1988. — 448 с.