14.577.21.0168

Научно-техническая задача состоит в разработке нового типа модуля беспроводной сети автоматизации процессов, являющегося отечественным аналогом зарубежных решений, с гибкой структурой, основанной на применении разработанных шлюзовых модулей на большое количество протоколов (Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA) и разработки программного обеспечения модулей беспроводной сети автоматизации процессов (БСАП).
Цели реализуемого проекта:
1) Создание семи экспериментальных образцов модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения.
2) Разработка новых методических и технических решений в области создания сетевых шлюзовых ретрансляторов под различные протоколы - персональных беспроводных сетей (Bluetooth), локальных беспроводных сетей (Wi-Fi), использования линий электропередачи для передачи данных (PLC), проводных локальных сетей (Ethernet), универсальной последовательной шины (USB), последовательного интерфейса передачи данных (RS-485), передачи данных с использованием инфракрасного диапазона (IrDA) - с целью повышения устойчивости работы БСАП по сравнению с существующими аналогами, а именно устойчивость передачи пакетов данных не более одного ошибочного на 1000 пакетов данных, время самоорганизации не более 15 минут для сети, состоящей из 10 модулей БСАП.

Ежегодно доля автоматизированных систем в различных отраслях в мире возрастает. Автоматизация процессов позволяет снизить энергопотребление, повысить ресурсоэффективность и производительность, а также существенно расширить функциональные возможности и комфорт. Однако внедрение автоматизированных систем в ряде случаев ограничено высокой стоимостью и как следствие низкой рентабельностью. В частности, применение модулей на примере ZigBee, Xbee и т. п. в составе автоматизированных систем ограничено вследствие их высокой стоимости. Высокая стоимость обусловлена импортным происхождением модулей, избыточной аппаратной и программной части в большинстве случаев, т. е. имеет место неэффективная цена с точки зрения потребностей.
Экспериментальные образцы модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA предназначены для мониторинга состояний объектов, автоматизации предприятий и общественных зданий путем сбора и передачи информации c внешних датчиков, автоматической ретрансляции передаваемых данных; создания зон сплошного информационного покрытия большой площади с широковещательным доступом ко всем узлам сети.

Основная особенность модулей БСАП заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети, но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, существует возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений - профили приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации.

Основными областями применения модулей БСАП являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация жилья («Умный дом» и «Интеллектуальное здание»), медицинское оборудование, системы промышленного мониторинга и управления (в нашем случае - светильники), а также бытовая электроника и «периферия» персональных компьютеров. Спецификация модуля БСАП ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания.

Особенности:

- Способность к самоорганизации и самовосстановлению.

- Ячеистая (mesh-) топология.

- Защищённость, высокая помехоустойчивость.

- Низкое энергопотребление.

- Отсутствие необходимости получения частотного разрешения.

 Текущий список профилей приложений, опубликованных, или уже находящихся в работе:

В модуле БСАП в качестве основной платформы планируется использовать чипы, являющиеся объединёнными радио- и микроконтроллерами с размером Flash-памяти от 60К до 128К, например, таких производителей, как Jennic, Freescale, Ember, Texas Instruments, Samsung и Atmel. Радиомодуль также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером.

Аналоги разрабатываемой платформы: модули XBee, Zigbit, Telegesis и др. Отличительной особенностью нашей разработки является наличие поддержки дополнительного протокола связи наряду с радиомодулем: Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA. Например, промышленное оборудование обычно поддерживает обмен данными по RS-485, но не имеет беспроводного канала. Используя модуль БСАП с RS-485, оборудование получит возможность передачи данных по радиоканалу. Сам модуль не меняет формат и содержание полученной посылки, он лишь передает ее. Если оборудовать модулями БСАП все оборудование в цеху, то пропадает необходимость прокладки кабельных линий. Единожды освоив работу с модулем БСАП, нет необходимости осваивать другие модули под другие каналы связи, так как ПО для работы и настройки модулей БСАП унифицировано. Аналогично с другими каналами связи (Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, IrDA).

Поэтому модули БСАП будут иметь одну программную платформу, что позволит легко использовать модуль БСАП с разными протоколами в новых приложениях.

Модуль БСАП разрабатывается для использования во встроенных приложениях, требующих низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Цель - это создание недорогой, самоорганизующейся сети с ячеистой топологией предназначенной для решения широкого круга задач. Сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительной и домашней автоматизации и т.д. Созданная в итоге сеть потребляет очень мало энергии.

 

В ходе выполнения второго этапа проекта было выполнено следующее:

- разработана платформа универсальной беспроводной сети;

- разработано программное обеспечение для семи модулей БСАП;

- разработана эскизная конструкторская документация для экспериментальных модулей БСАП и экспериментального стенда; 

- изготовлен экспериментальный стенд; 

- разработана программа и методика испытаний экспериментального стенда;

- проведены испытания экспериментального стенда и проверка его параметров; 

- изготовлены экспериментальные образцы модулей БСАП с возможностью взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA; 

- проведены дополнительные патентные исследования по тематике проекта.

Для модулей БСАП разработано специальное программное обеспечение, реализующие следующие функции: Работа выполняется при финансовой поддержке прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (ПНИЭР) Министерством образования и науки Российской Федерации по Соглашению №14.577.21.0168 от 27 октября 2015 года, уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57715X0168.

Модули беспроводной сети автоматизации процессов (БСАП) с возможностью взаимодействия с протоколами связи Bluetooth, Wi-Fi, PLC, Ethernet, USB, RS-485, IrDA предназначены для мониторинга состояний объектов, автоматизации предприятий и общественных зданий путем сбора-передачи информации c внешних датчиков, автоматической ретрансляции передаваемых данных и т.д.