УДК 629.067: 629.113.017
,
G. V. ZAKREWSKY, M. S. GAVRILOV
МНОГОФУКЦИОНАЛЬНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ
СЕНСОРНЫЙ ТЕРМИНАЛ
MULTIFUNCTIONAL MOBILE
TOUCH TERMINAL
Представлен учебный стенд - терминал на основе беспроводных сенсорных устройств мониторинга измерительных систем и устройств автоматизации.
Ключевые слова: мониторинг; пользователи; сенсоры; микроконтроллеры; протоколы
In given clause authors presents wireless sensor devices-based terminal for monitoring of automation measuring system.
Keywords: monitoring; users; sensors; microcontrollers; protocols
Современные новшества в областях беспроводной связи и микроэлектроники сделали возможным создание дешевых систем, состоящих из малогабаритных устройств с низким энергопотреблением и большим функционалом, способных обмениваться информацией по радиоканалу на небольшие расстояния. К таким системам применим широко используемый термин беспроводные сенсорные сети (БСС). БСС – это класс беспроводных систем, которые представляют собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам сеть малогабаритных электронных устройств с автономным источником питания. Каждое устройство такой сети состоит из микроконтроллера и радио приемопередатчика, что позволяет реализовывать различные программные настройки и управлять конфигурацией. Площадь покрытия сетью объектов, на которых установлены устройства обмена и ретрансляции сообщений, может достигать значительных размеров. При этом БСС для своего функционирования используют минимальное потребление мощности приемопередатчиков, экономя энергию элементов питания.
БСС с каждым днем находят все большее применение в области мониторинга и контроля оборудования и автоматизированных систем. Анализ научных и технических публикаций по данной тематике показал, что изучение рассматриваемой технологии является актуальным направлением в сферах практического применения и научного знания. Примерами являются работы [1], [2] и целого ряда других ученых, посвященные эффективности функционирования беспроводных сенсорных сетей, в которых рассматриваются методы и алгоритмы управления потоками данных в беспроводных системах.
Одной из особенностей процесса изучения дисциплин, связанных с организацией вычислительных процессов на основе БСС, является сложность постановки задачи для курсового и дипломного проектирования, наиболее полно соответствующей таким требованиям, как актуальность, наглядность, содержательность и возможность исполнения в более реалистичной форме. На сегодняшний день существует огромное количество технической документации и литературы для теоретического изучения оборудования БСС. Однако изучение БСС только по специализированной литературе носит обзорно-познавательный характер, что является недостатком при подготовке высококвалифицированных специалистов, которые должны не только знать специфику оборудования БСС, но и иметь практические навыки работы с оборудованием БСС и его программирования. Для получения таких навыков необходимо иметь учебные стенды с модулями БСС, которые, к тому же, упростят создание программно-аппаратных реализаций теоретически разработанных проектов.
Разработчики БСС различных производителей создают производственные варианты макетных плат. Однако, направленные на изучение возможностей оборудования производителя, такого рода макетные платы, в общем, не являются универсальными средствами разработки, и, из-за спецификации, имеют ограниченный функционал, что негативно сказывается на возможностях разработчика. К тому же, их стоимость создает затруднения для приобретения их в достаточном количестве.
Для решения проблем стоимости изначально было разработано оборудование, аналогичное выпускаемому разработчиками БСС, но с минимальными затратами на производство необходимого количества экземпляров. В 2010 году был разработан первый вариант учебно-исследовательского стенда, использование которого позволило начать практическое изучение технологий БСС на платформе ZigBee (ZB) модулей и приступить к научным разработкам с целью получения экспериментальных данных. Однако, возможности стенда для проведения экспериментов, все же, не решали проблем универсальности.
Учебно-исследовательский стенд ZB [3] был разработан с возможностью управления всеми портами ZB при помощи переключателей и кнопок. Этим он был хорош в качестве учебного материала для получения практических навыков работы с оборудованием БСС, но эксплуатация его в экспериментальных условиях [5] была затруднительна. Основным недостатком являлось использование компьютера для управления процессами передачи экспериментальной информации с одного мобильного устройства на другое. Вопрос наглядности и содержательности достаточно детально представлен в публикации по данной теме [3].
Целью же данной статьи является разработка многофункционального мобильного сенсорного терминала (ММСТ) с устранением недостатков предыдущего стенда. Для решения проблем универсальности было решено использовать модуль ZB с разъемом, что позволило бы устанавливать его на различное оборудование с целью проверки и ремонта, а так же увеличить функциональные возможности стенда. Для управления ZB было решено использовать микроконтроллер, который позволял увеличить функциональные возможности за счет выполнения нестандартных для ZB функций с целью решения поставленных исследовательских задач.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- выбор необходимых компонентов для создания стенда;
- разработка новой схемы многофункционального мобильного сенсорного терминала;
- создание программно-аппаратного комплекса и его тестирование.
Разработанное на модуле ZB [4], устройство, представленное в описании многофункционального мобильного стенда для изучения и исследования БСС, является более универсальным по сравнению с предыдущим [3]. Данное устройство является модернизацией макетной платы ZB [4] фирмы Telegesis, которая предназначена только для изучения принципов работы ZB – модема.
Для изучения и исследования БСС представленная модификация макетной платы дает разработчику возможность организации автоматического управления ZB модулем без использования персонального компьютера. Увеличение мобильности позволяет устанавливать оборудование с автономным питанием номиналом в 4,5В в самых труднодоступных местах. Представленная модификация изображена на рисунке 1.
Для повышения функциональности и гибкости устройства было решено использовать самые необходимые выводы ZB и микроконтроллера.
С ZB были выведены:
- все внешние прерывания;
- несколько цифровых портов ввода-вывода;
- 2 порта АЦП.
С микроконтроллера были использованы все выводы.
Рисунок 1 - Структурная схема ММСТ
Выводы с микроконтроллера могут использоваться для подключения устройств с аналоговыми или цифровыми портами, таких как пожарные, охранные, температурные (цифровые и аналоговые) датчики и датчики давления, гироскопы, акселерометры. Также появилась возможность подключения оборудование по протоколам: UART, I2C, 1Ware, USB и SPI. Перечисленный список периферийных устройств и протоколов позволяет упростить процесс создания проектов для сопряжения периферийных устройств в БСС. Появление новых выводов с микроконтроллера и ZB модуля позволяет разработчику использовать, как ресурсы самого ZB, так и, при необходимости, не реализованные в ZB, возможности управления периферией на стандартных протоколах. Также, реализована возможность посылать необходимые команды другим ZB модулям без управления с ПК. Данная возможность позволяет повысить функциональность разрабатываемых систем.
Результаты данной разработки используются в НИР и в учебном процессе при изучении таких дисциплин специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», как «Высокопроизводительные вычислительные системы» и «Проектирование вычислительных систем». Также эта работа активно используется при выполнении ВКР выпускников кафедры «Вычислительной техники», что позволяет создать не только теоретическую, но и аппаратно-программную реализацию комплексов с тестовой проверкой на реальных объектах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимов, рациональной топологии беспроводных сенсорных сетей, - М.:, 20c.
2. Баскаков, по виртуальным координатам в беспроводных сенсорных сетях, - М.:, 20c.
3. Закревский, Г. В., Галимов информационные технологии в науке, образовании и практике. Материалы IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). – Оренбург: , 210. – 432 с. (Учебно-исследовательский стенд беспроводной сенсорной сети стандарта ZigBee. - С. 84-86.
4. Кривченко, Т. Zig-Bee – модемы ETRX компании Telegesis, Беспроводные технологии. – 2006, - №2. – С. 28 – 30.
5. , , Аралбаев системы мониторинга состояния дорожного полотна и скоростного режима автомобиля на основе беспроводных каналов связи. – С.
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Ведущий инженер кафедры «Вычислительная техника»
Тел.: +4-07
E-mail: *****@***ru
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Студент 4 курса группы КЗОИ «Вычислительная техника»
Тел.: +4-31
E-mail: *****@***ru
