Беспроводные сенсорные сети для решения задач космонавтики, обороны и безопасности

Исследовательская работа посвящена изучению принципов организации и функционирования беспроводной сенсорной сети (БСС) и созданию инструментария для её реализации. Основная цель работы заключается в создании программной платформы, благодаря которой появляется возможность решения прикладных задач в различных областях, таких как: космос, оборона, безопасность, промышленность, медицина.

Основная цель работы заключается в создании программной платформы, включающей в себя 3 модуля, которые будут созданы в результате решения трех представленных далее задач.

Первая задача исследований заключалась в разработке инструмента для конфигурирования рабочего места программиста с использованием UNIX-подобных ОС. При проведении исследований используются узлы, оснащенные микропроцессорами семейства MSP430, для работы с которыми необходимо иметь инструмент, включающий в себя набор необходимых программных и аппаратных компонентов, позволяющих прошивать центральный микропроцессор и производить отладку приложений.

Вторая задача исследований заключается в формировании модуля платформы, элементы которого отвечают за функционирование аппаратных компонентов узлов сети. В совокупности данный модуль позволяет управлять узлами БСС: осуществлять работу с центральным микропроцессором узла, управлять режимами энергопотребления, конфигурировать таймеры, тактовые переключатели, светодиоды, датчики. Отдельное внимание уделяется элементу модуля, отвечающего за контроллер OLED-дисплея.

Третья задача исследований полностью посвящена приемопередатчику. В процессе решения данной задачи формируется третий модуль платформы, состоящий из интерфейсов, отвечающих за настройку приемопередатчика, и стека протоколов, являющихся базой для организации и функционирования БСС. Стек протоколов структурирован по эталонной модели OSI, где для БСС используются 4 уровня: физический, канальный, сетевой и прикладной. Из всех уровней особый интерес представляет сетевой, т.к. именно он отвечает за инициализацию сети, организацию взаимодействия между узлами и дальнейшее функционирование сети.

Беспроводные сенсорные сети (БСС) используются для решения задач мониторинга и контроля измеряемых параметров физической среды и объектов. Множество узлов с датчиками образуют беспроводную сенсорную сеть, которая выполняет такие функции, как сбор данных датчиками, обработка полученных данных и передача данных по маршрутам в конечный пункт назначения.

При проведении исследований используются узлы, для работы с которыми необходимо иметь инструмент, включающий в себя набор необходимых программных и аппаратных компонентов, позволяющих прошивать центральный микропроцессор и управлять аппаратными компонентами. Также необходимо обеспечение позволяющее организовывать сети рассматриваемого класса.

Узлы сети применяются для сбора данных, обработки и передачи данных по радиоканалу. Такие узлы ориентированы на передачу небольших объемов данных, что можно считать недостатком сети, однако, преимущества заключаются в низком энергопотреблении и небольшими габаритами узлов.

При организации беспроводной сенсорной сети используют различные топологии. Это может быть топология типа «Звезда», «Дерево», «Кольцо», «Ячеистая». При организации ячеистой топологии при выходе одного из узлов – участника ретрансляции пакета по маршруту, передача данных не прервется, а будет найден альтернативный маршрут передачи данных через соседние узлы.

В рамках проведения исследовательской работы использовалось следующее базовое оборудование:

• Узел (Отладочная плата) EVB8871
• Программатор MSP – FET430 UIF
• Персональный компьютер с установленной операционной системой Debian

Узел EVB8871 имеет следующие аппаратные компоненты:

1. Центральный микропроцессор Texas Instruments  MSP430F5438A.
2. RF—приемопередатчик Texas Instruments CC2520.
3. Контроллер OLED—дисплея  4D Systems GOLDELOX—SGC.
4. Внешняя FLASH—память Micron Technology M25PE40.
5. Звуковой извещатель ST Microelectronics TS2007.
6. Карта памяти  microSD.
7. Коммутатор питания Fairchild Semiconductor FPF1105T.
8. USB/UART—интерфейс Silicon Labs CP2102.
9. Тактовые переключатели (кнопки).
10. Навигационный переключатель (джойстик).
11. Светодиоды (LEDs).
12. Микросхема Maxim Integrated DS2411R.
13. Датчики температуры и освещения.
14. Цифровой микрофон (MIC).

Первая задача исследований заключалась в разработке инструмента для конфигурирования рабочего места программиста с использованием UNIX-подобных ОС. Предлагаемый в ходе решения первой задачи модуль представляет собой совокупность пакетов программ обеспечивающие работу с MSP430, рабочую среду Eclipse, совокупность инструкций для пользователя и примеры приложений.

Второй модуль позволяет управлять узлами БСС: осуществлять работу с центральным микропроцессором узла, управлять режимами энергопотребления, конфигурировать таймеры, тактовые переключатели, светодиоды, датчики. Отдельное внимание уделяется элементу модуля, отвечающего за контроллер OLED-дисплея.

В процессе решения третей задачи формируется модуль платформы, состоящий из интерфейсов, отвечающих за настройку приемопередатчика, и стека протоколов, являющихся базой для организации и функционирования БСС. На текущий момент реализованы топологии сети типов "линия", "звезда" и "дерево". В настоящий момент ведется разработка ячеистой топологии сети.

Беспроводные сенсорные сети могут быть эффективно применены для решения разного рода прикладных задач, связанных со сбором, анализом и передачей данных.

В основной работе приводятся несколько потенциальных проектов (придуманных автором), реализация которых может быть детально рассмотрена. В основе всех проектов в качестве основных аппаратных компонентов используются базовые составляющие беспроводной сенсорной сети, а также программный инструментарий для управления БСС, реализованный в ходе проведения работы.

Области применения результатов весьма обширны: оборона, промышленность, медицина, аэрокосмическая отрасль. Независимо от области применения выделяются базовые аппаратные компоненты узлов любой БСС: приемопередатчик, сенсоры, центральный микропроцессор и элементы питания. Для управления этими базовыми компонентами, а также для организации и последующей должной работы самой БСС, и предназначена программная платформа. Решение описанных задач в полной мере подведет к достижению основной цели исследовательской работы, которая продолжается в настоящее время.

1. Падалко С.Н., Терентьев М.Н. Автоматизированное проектирование адаптивных дискретных беспроводных сенсорных сетей для космических систем: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2013. -128 с: ил.

2. User's Guide MSP430x5xx and MSP430x6xx Family
http://www.ti.com/lit/ug/slau208o/slau208o.pdf

Research work is devoted to the study of the principles of organization and functioning of wireless sensor networks (WSN) and to establish tools for its implementation. The main aim is to create a software platform which can be applied in areas such as: space, defense, security, transport, industry and medicine.