Организация беспроводной связи

Довольно важной задачей работы является организация беспроводной связи техники с центром управления. Подберём для нашего макета наиболее удовлетворяющий нашим требованиям канал передачи данных. Важными для нас критериями выбора будут являться:

• · стабильная работа в помещениях,
• · скорость передачи данных,
• · питание и энергопотребление,
• · масса,
• · габариты устройства,
• · стоимость.

Выделим и рассмотрим подробнее три варианта устройств беспроводной передачи данных:

Blooetooth модуль XBee,.

Wi-Fi модуль RN-XV WiFly Module,.

Радиомодем Невод-5.

XBee Shield.

Модули XBee Shield позволяют установить связь между несколькими модулями Arduino/Freeduino с помощью модулей XBee от компании Maxstream/BlueGiga (стандарт ZigBee).

Рис. 14 — Плата Arduino с установленным модулем XBee Shield

Модули XBee являются достаточно развитыми устройствами и работают под управлением собственного микроконтроллера MC9S08. Производитель предлагает специальное ПО для гибкой конфигурации модулей, а также альтернативные прошивки управляющего микроконтроллера, и таким образом, функционал приемо-передатчика для Arduino лишь часть возможностей XBee.

Для обмена данными с Arduino модуль занимает последовательный порт (выводы 0 и 1), и в конфигурации по умолчанию работает со скоростью 9600 бит/сек. При этом все переданные (с помощью Serial. Write) байты передаются в эфир, а переданное в эфир другими модулями поступает в порт, и может быть прочитано с помощью Serial.Read.

В процессе работы модуль управляется AT-командами, позволяющими изменить такие параметры, как адрес в сети ZigBee, скорость работы с последовательным портом, управлять состоянием дополнительных выходов модуля, и многое другое.

Характеристики:

• — возможность работы с платами в форм-факторе классической Arduino;
• — возможность работы с платами в форм-факторе Arduino Nano;
• — автоматический выбор питания (Arduino/USB);
• — все выводы XBee выведены на контактные площадки с шагом 2,54 мм;

RN-XV WiFly Module.

RN-VX модуль от Roving Networks это сертифицированное Wi-Fi решение специально спроектированное для пользователей, который хотят мигрировать с существующей 802.15.4 архитектуры на платформу базирующуюся на стандартном TCP/IP без изменения существующего аппаратного обеспечения. Другими словами, если ваш проект построен на XBee и вы хотите перевести его на стандартную WiFi сеть, вы можете вставить этот модуль в сокет XBee без добавления какого-либо дополнительного оборудования.

RX-VN основан на надежном RN-171 Wi-Fi модуле от Roving Networks и включает в себя 802.11 b/g, 32-битный процессор, TCP/IP стек, часы реального времени (RTC), крипто-акселератор, блок управления питанием и интерфейс аналогового сенсора. Модуль идет с препрошивкой от Roving для упрощения интеграции и минимизации времени разработки вашего приложения. В простейшей конфигурации необходимо только четыре вывода (Питание, Tx, Rx и земля) для построения беспроводного соединения.

Рис. 15— Модуль Wi-Fi RN-XV WiFly

Характеристики:

• — построен на базе обычного 802.15.4 XBee разъема
• — ультра низкое энергопотребление: 4мкА в спящем режиме, 38мА в активном
• — встроенный TCP/IP стек, включающий в себя DHCP, UDP, DNS, ARP, ICMP, HTTP клиент, FTP клиент и TCP
• — настраиваемая мощность передачи: от 0dBm до 12dBm
• — аппаратный интерфейс: TTL UART
• — скорость передачи через UART до 464 Кбайт/сек
• — поддержка Adhoc и сетевую структуру
• — 8 цифровых выводов для общих целей
• — 3 аналоговых входа
• — часы реального времени (RTC), режимы авто-засыпания и авто-пробуждения
• — поддержка 3.3 В регулируемого питания
• — проводная антенна на борту

Радиомодем Невод-5 предназначен для передачи и приема цифровой информации при работе в составе распределенных сетей телеметрии, управления и автоматизации технологических процессов.

Рис. 16 — Радиомодем Невод-5

Радиомодем Невод-5 представляет собой программно-управляемое приемно-передающее устройство, преобразующее сигналы стандартных последовательных интерфейсов RS-232 или RS-485 в радиочастотные посылки и обратно.

Конфигурирование радиомодема осуществляется через последовательный интерфейс набором команд. Радиомодем имеет колодку контактов для быстрого подключения кабелей питания и интерфейса, а так же светодиодные индикаторы для отображения состояния цепей изделия.

Прибор выполнен в пластмассовом корпусе для установки на DIN-рейку. Возможно исполнение во влагозащищенном корпусе (степень защиты IP65) для установки снаружи рядом с антенной.

Характеристики:

• — Радиомодем для систем телеметрии
• — Диапазон частот: 433 Мгц
• — Скорость передачи данных: до 19 200 бит/с
• — Максимальная дальность связи: 8−10 км
• — Цифровые интерфейсы RS-232/RS-485
• — Разрешение на использование не требуется
• — ПО для первоначальной настройки входит в комплект поставки
• — В корпусе для монтажа на DIN-рейку

Сведём в таблицу некоторые характеристики устройств.

Таблица 4 — Сравнение технических характеристик рассматриваемых устройств.

Все устройства подходят нам для использования в помещениях на небольших расстояниях. Скорости передачи хватит для передачи управляющих сигналов и приёма данных с датчиков устройств. Как видно из таблицы, радиомодем Невод-5 можно отнести несколько к иному классу устройств, более подходящем для установки на реальную технику (большие габариты и энергопотребление). Различия между Bluetooth и Wi-Fi модулями не столь критичны для нашей задачи (у Bluetooth модуля чуть худшие характеристике, но ниже стоимость устройства).

В связи с этим было принято решение об использовании в макете сельскохозяйственной техники модуля Bluetooth XBee Shield.

Организуем связь центра управления, установленного на компьютере, с микроконтроллером Arduino, находящемся внутри моделей техники, используя модуль XBee Shield. Для этого на компьютере должно быть устройство Bluetooth (встроенное или внешнее, подключенное в USB порт). Bluetooth адапторы определяются в системе как виртуальные COM порты, поэтому и работать предстоит как с COM портом. На примере операционной среды Windows 7 покажем, как организовать связь с удалёнными устройствами (моделями трактора и комбайна):

• 1. Включаем устройства Bluetooth на компьютере с установленным центром управления и на моделях трактора с комбайном.
• 2. Заходим в папку Пуск->Устройства и принтеры.
• 3. Нажимаем кнопку «Добавление устройства».
• 4. Ждём, пока компьютер не определит два Bluetooth устройства под именем «Bluetooth V3»
• 5. Подключаемся к каждому из устройств, и если потребуется ввод пароля, то используем стандартный «1234».
• 6. Заходим в свойства каждого из подключенных устройств, и находим информацию о номере порта (Например COM11 и COM14).

Связь установлена, теперь можно обращаться к виртуальным COM портам для приёма-передачи данных с моделей сельскохозяйственной техники.

Теперь перейдём к настройке центра управления. Нам потребуется передавать из приложения по интерфейсу Bluetooth строковые сообщения, которые после передачи обработаются программой на контроллере Arduino. В среде Visual Studio 2008 для работы с COM портами предусмотрен компонент serialPort. В нашем приложении их потребуется два, так как один компонент serialPort работает с одним подключенным устройством. Рассмотрим свойства компонента и проведём его настройку на примере подключения к комбайну:

Таблица 5 — Свойства COM порта.

Однако большое число реальных изображений имеют объекты, слабо выраженные на окружающем фоне. Объект может не иметь четкой границы, он может быть одинаков по яркости и цвету с фоном, он может быть зашумлен помехами и так далее.

Все эти факторы приводят к тому, что контур либо невозможно выделить вообще, либо он выделяется неправильно, и не соответствует границе объектов. На рисунке справа показано бинаризированное изображение. Небольшие «мостики» между изображением цифры и окружающим фоном делают контур цифры нераспознаваемым методами КА.

Рис. 24 — Исходное и бинаризированное изображение.

Такие случаи очень тяжелы для КА. Ведь КА имеет смысл, только в том случае, когда контур объекта определен однозначно правильно во всех своих точках. Вторая группа факторов, осложняющих КА, связана с принципами контурного анализа. Методы КА предполагают, что контур описывает весь объект целиком, и не допускает никаких пересечений с другими объектами или неполной видимости объекта.

На картинке справа — бинаризированное изображение. Видно, что блик фотографии, идущий горизонтальной чертой, делает буквы неразличимыми для КА.

Рис. 25 — Блик на исходном и бинаризированном изображении.

Таким образом, КА имеет слабую устойчивость к помехам, не допускает пересечения или частичной видимости объекта.

Пример работы программы можно видеть на данных рисунках:

Рис. 26 — Выделение контура объекта.

Рис. 27 — Выделение контура объекта и слежение за ним.