Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и программная реализация методов предсказательного моделирования процессов радиообмена в зданиях и сооружениях и создание низкопотребляющих приемо-передающих устройств для автоматизированных систем контроля и управления

Докладчик: Штерн Максим Юрьевич

Должность: Доцент, к.т.н.

Цель проекта:
1. Создание беспроводных информационно-управляющих систем для внедрения и надежного функционирования в зданиях и сооружениях городской инфраструктуры; заключается в следующих полезных (научных, технических, социальных) эффектах, которые будут обеспечены использованием полученных научно-технических, технологических результатов: – вывод на рынок новой научно-технической продукции, – получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых низкопотребляющих приемо-передающих устройств для автоматизации систем контроля и управления; – повышение эффективности контроля и управления автоматизированными процессами; – вывод на рынок новой научно-технической продукции: беспроводных информационно-управляющих систем; – повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации оборудования; – обеспечение промышленности и населения новым видом информационных услуг. 2. Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание методов предсказательного моделирования процессов радиообмена в зданиях и сооружениях и их программная реализация и создание низкопотребляющих приемо-передающих устройств для автоматизированных систем контроля и управления.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов.
- Алгоритм работы беспроводных устройств в информационно-управляющих системах, обеспечивающий максимальную достоверность передачи данных с использованием низкопотребляющих приемо-передающих устройств (далее – НППУ).
- Описание протокола радиоинтерфейса между НППУ для передачи данных в информационно-управляющих системах.
- Методика выбора автономного источника тока из перечня покупных изделий, входящего в состав экспериментального образца низкопотребляющего приемо-передающего устройства (далее – ЭО НППУ), с применением стенда для выбора автономных источников тока из перечня покупных изделий.
- Алгоритм идентификации НППУ в информационно-управляющих системах, реализованный в экспериментальном образце программного обеспечения для ЭО НППУ (далее - ЭО ПО НППУ).
- Методика выбора параметров настройки радиотрансивера, входящего в состав ЭО НППУ, для обеспечения максимальной скорости передачи информации по беспроводным каналам связи при заданном уровне достоверности и заданной дальности.
- Адаптивный алгоритм передачи информации в беспроводных информационно-управляющих системах, реализованный в ЭО ПО НППУ.
- Методы предсказательного моделирования процессов радиообмена в зданиях и сооружениях.
- Алгоритм статистического анализа телеметрической информации в информационно-управляющих системах с использованием НППУ, реализованный в ЭО ПО для определения количества и оптимального местоположения приемо-передающих устройств с учетом конфигурации здания (далее - ЭО ПО для ОК и ОМ ППУ).
- Алгоритм определения количества и оптимального местоположения НППУ на реальном объекте эксплуатации (многоквартирном доме), реализованный в ЭО ПО для ОК и ОМ ППУ.
- Предложения и рекомендации по реализации (коммерциализации) результатов ПНИ, вовлечению их в хозяйственный оборот.
- Сформулированные технические требования в виде проекта технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка низкопотребляющих приемо-передающих устройств для автоматизированных систем контроля и управления».

2. Основные характеристики планируемых результатов.
В состав ЭО НППУ должны входить следующие составные части:
а) Аппаратная часть в составе:
1) антенна (макет разрабатывается в ходе проведения ПНИ);
2) радиотрансивер (покупное изделие);
3) микроконтроллер (покупное изделие);
4) автономный источник тока (покупное изделие);
5) модуль согласования RF-части НППУ с антенной, входящей в состав ЭО НППУ (макет разрабатывается в ходе проведения ПНИ);
б) Программная часть: ЭО ПО НППУ.
Антенна должна быть реализована на печатной плате и удовлетворять следующим требованиям:
1) Толщина печатной платы: от 0,8 мм до 1 мм;
2) Габариты антенны: не более 45х45мм;
3) Длина проводящей дорожки: λ/4 или λ/2 (где λ – длина волны рабочей частоты);
4) Резонансная частота в диапазоне 428-438 МГц;
5) Коэффициент стоячей волны (КСВ), не хуже 1,5;
6) Коэффициент усиления: не менее 1 dBi;
7) Входное волновое сопротивление 50 Ом ± 1,5;
8) Допустимая мощность: не менее 0,5 Вт.
9) В топологии антенны должны быть предусмотрены тестовые контакты для входного контроля.
Модуль согласования RF-части НППУ с антенной, входящей в состав ЭО НППУ, должен соответствовать следующим требованиям:
1) Выходное волновое сопротивление: 50 ± 2,5 Ом;
2) Полоса пропускания фильтра: 434 ±1,5 МГц.
Экспериментальный образец низкопотребляющего приемо-передающего устройства должен соответствовать следующим требованиям:
1) Обеспечение возможности работы в режиме микропотребления питания, не более 1,5 мкА в спящем режиме и не более 30 мА в режиме приема-передачи;
2) Несущая частота передачи данных 434 ±1,5 МГц;
3) Скорость передачи данных: не менее 9600 бит/сек;
4) Дальность устойчивой связи при радиообмене: не менее 1000 метров в условиях прямой радиовидимости;
5) Выходная мощность модулируемого радиосигнала: не более 10 мВт;
6) Питание устройства осуществляется от автономного малогабаритного источника с выходным напряжением не более 3,6 В;
7) Диапазон рабочих температур от минус 50 до +50 °С;
8) Срок автономной работы без замены элемента питания: не менее 5 лет.
9) Обеспечение достоверности передачи данных: количество принятых пакетов данных должно составлять не менее 95 % от общего числа передаваемых пакетов.
Разрабатываемый протокол радиоинтерфейса между НППУ для передачи данных в информационно-управляющих системах должен соответствовать следующим требованиям:
1) Диапазон передачи данных от 433 до 2400 МГц;
2) Топологии беспроводной сети «точка-точка», «звезда»;
3) Число узлов в сети: не менее 256;
Модуль реализующий алгоритм определения оптимального местоположения НППУ на реальном объекте эксплуатации (многоквартирном доме) должен соответствовать следующим требованиям:
1) Обеспечение возможности расчета параметров радиосвязи должно проводиться на основе следующих входных данных (задаются пользователем):
а) мощность передатчика (от 1 до 100 мВт);
б) частота передачи данных (от 400 до 2500 МГц);
в) коэффициент усиления антенны;
г) коэффициент направленного действия антенны;
2) Обеспечение возможности расчета дальности передачи данных с погрешностью не более минус 1 м;
3) Обеспечение возможности расчета мощности принимаемого радиосигнала от расположенных в зоне радиовидимости приемо-передающих устройств с погрешностью не более 5%;
4) Возможность формирования карты оптимального расположения приемо-передающих устройств с погрешностью определения местоположения устройств не более ±0,5 м.

3. Оценка элементов новизны научных.
При создании и внедрении интеллектуальных управляющих систем (ИУС) будет производиться предсказательное моделирование процессов радиообмена в зданиях и сооружениях, а так же постоянная диагностика работы беспроводных устройств. Для это будут созданы алгоритмы и программы для постоянного мониторинга качества передачи данных в ИУС. При создании программных средств для мониторинга будет разработана база данных для хранения полученной информации, а так же будут созданы алгоритмы статистической обработки и интеллектуального анализа данных. При таком подходе к решению проблемы становиться возможным создание адаптивных алгоритмов передачи информации.
Адаптивный алгоритм, построенный на базе результатов интеллектуального анализа данных о качестве передачи информации, позволит не только выбирать время передачи информации, но и мощность передатчика, тем самым дополнительно экономить расход заряда автономных источников питания, что является весьма актуальным для беспроводных информационно-управляющих систем.
В результате выполнения ПНИ будут получены результаты способные к правовой охране – планируется получение не менее 6 свидетельств о государственной регистрации программ ЭВМ.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Для достижения заявленных в проекте результатов необходимо выполнить следующее:
1) Обеспечение надежности работы беспроводных информационно-управляющих систем. Данная задача требует комплексного подхода. Для её решения будет проведен анализ алгоритмов кодирования и шифрования протоколов передачи данных, а так же анализ технологий беспроводной передачи данных, по результатам которых будут определены основные факторы влияющие на надежность и эффективное расстояние передачи данных в нелецинзируемых диапазонах частот. Будет разработан измерительный аппаратно-программный комплекс и проведены исследования качества передачи данных между беспроводными устройствами информационно-управляющих си-стем в реальных условиях эксплуатации. По результатам исследований будут созданы и программно реализованы алгоритмы работы беспроводных устройств в информационно-управляющих системах. Кроме того результаты исследований
станут основой для создания базы данных влияния конструкций типовых зданий на эффективное расстояние и качество беспроводной передачи данных в информационно-управляющих системах.
2) Обеспечение достоверности беспроводной передачи данных в условиях большой концентрации беспроводных устройств. Без решения этой задачи невозможно построение современных много-параметрических беспроводных ИУС. Для исследования взаимовлияния бес-проводных устройств, работающих на соседних частотных
каналах, будут созданы методика и аппаратно-программный измерительный комплекс. Результаты исследования станут основой для создания как новых протоколов пере-дачи данных, так и новых радиопередающих устройств, способных обеспечить достоверный обмен информацией в условиях большой концентрации беспроводных устройств.
3) Повышение срока работы беспроводных устройств от автономных источников тока.
Создание современных беспроводных информационно-управляющих систем невозможно без использования автономных источников питания. В связи с чем необходим выбор таких автономных источников тока, которые способны обеспечить наибольшее время эксплуатации интеллектуальных устройств, что значительно сокращает затраты на их эксплуатацию. Для решения поставленной задачи будут разработаны методика и из-мерительный аппаратно-программный комплекс для исследования автономных источников тока, используемых в информационно-управляющих системах.
4) Создание адаптивного алгоритма приема и передачи информации в беспроводных информационно-управляющих системах. Для решения данной задачи будут созданы алгоритмы и программное обеспечение для сбора телеметрической информации о работе беспроводных устройств в информационно-управляющих системах. Собранная информация будет сохраняться в разработанной базе данных для хранения и
обработки данных телеметрии в информационно-управляющих системах.
Для обработки телеметрической информации будут созданы и программно реализованы алгоритмы для интеллектуального и статистического анализа данных в информационно-управляющих системах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов.
Результаты полученные в процессе проведения ПНИ будут использованы следующими потребителями:
- жилищный сектор;
- промышленные предприятия;
- управляющие и строительные компании;
- научные организации;
- организации высшего профессионального образования;
- системные интеграторы.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Результаты работы будут применены для автоматизации зданий и сооружений городской инфраструктуры. В основном это будут многоэтажные жилые дома, офисные комплексы и промышленные здания в масштабах всей страны, с возможностью дальнейшего экспорта. Кроме того результаты будут применены для создания новых низкопотребляющих приемо-передающих устройств для автоматизации
систем контроля и управления.

3. Результаты ПНИ будут иметь большие конкурентные преимущества, что обусловлено использованием современных информационных технологий, в том числе интеллектуального и статистического анализа данных.
В результатах ПНИ будут заинтересованы крупные системные интеграторы, а так же мобильные операторы. Здесь необходимо отметить, что результаты которые планируется получить при проведении ПНИ заложены авторами проекта, с учетом их совместной работы в сфере автоматизации инженерных систем жизнеобеспечения зданий с Министерством связи и массовых коммуникаций РФ, а так же компанией Мегафон.
Результаты ПНИ позволят повысить эффективность использования инженерных систем жизнеобеспечения зданий и сооружений. Планируется, что на результаты ПНИ будет получено не менее 6 свидетельств о государственной
регистрации программного обеспечения.

Текущие результаты проекта:
- Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему.
- Проведены патентные исследования и подготовлен патентный отчет в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
- Проведены исследование, обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения поставленных задач.
- Разработан алгоритм работы беспроводных устройств в информационно-управляющих системах, обеспечивающий максимальную достоверность передачи данных с использованием низкопотребляющих приемо-передающих устройств.
- Разработан протокол радиоинтерфейса между НППУ для передачи данных в информационно-управляющих системах.
- Разработан алгоритм идентификации НППУ в информационно-управляющих системах.
- Разработан стенд для выбора автономного источника тока из перечня покупных изделий, входящего в состав ЭО НППУ.
- Разработана методика выбора автономного источника тока из перечня покупных изделий, входящего в состав НППУ, с применением разработанного стенда.
- Произведен выбор автономного источника тока из перечня покупных изделий, входящего в состав ЭО НППУ, с применением разработанного стенда.
- Разработаны макеты антенн, входящих в состав ЭО НППУ.
- Разработан стенд для проведения лабораторных испытаний макета антенны, входящей в состав ЭО НППУ.
- Разработаны Программа и методика лабораторных испытаний макета антенны, входящей в состав ЭО НППУ.
- Проведены лабораторные испытания макета антенны, входящей в состав ЭО НППУ, с применением разработанного стенда.
- Изготовлен макет антенны, входящей в состав ЭО НППУ.
- Изготовлены стенд для выбора автономного источника тока из перечня покупных изделий, входящего в состав ЭО НППУ.
- Изготовлен стенд для проведения лабораторных испытаний макета антенны, входящей в состав ЭО НППУ.