Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0168

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0168
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет"
Название доклада
Разработка линейки модулей различной модификации для беспроводных сетей в составе систем автоматизации различного применения
Докладчик
Садыков Марат Фердинантович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

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.

 

Результаты исследования

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.

Практическая значимость исследования
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.