Обзор системы телеметрии в беспроводных сетях

УДК 519.7

,

Обзор системы телеметрии  в беспроводных сетях

(Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина,  г. Астана, Казахстан)

Данная  статья  посвящена системам  получения телеметрической информации от удаленных объектов и использование GSM и GPS модемов при их телеметрическом мониторинге.  В статье рассматривается структура и работа беспроводных сетей как GSM/GPRS, WLAN, Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi  и Li-Fi и  их использование в  телеметрической системе.

Ключевые слова: телеметрия, беспроводной сеть, роутер, беспроводная коммуникационная технология, модем.

Телеметрия  это  техническая область телемеханики и радиоэлектроники,  которая разрабатывает технические средства приёма информации, устанавливающие контроль и наблюдение  состояния  объектов на расстоянии.

Телеметрия – совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю. Для сбора данных обычно используют либо датчики телеметрии (с возможностью работы в телеметрических системах, то есть специальным встроенным модулем связи), либо устройства связи с объектом, к которым подключаются обычные датчики [1].

С точки зрения физики система телеметрии должна воспринимать изменение какого-либо физиологического параметра, преобразовывать его в электрический сигнал, накладывать этот сигнал на несущую радиочастоту и передавать на определенное расстояние радиоприемному устройству. Основные элементы такой системы показаны на приведенной ниже схеме. Воспринимающими элементами системы могут быть различного рода датчики-преобразователи. Например, динамик радиоприемника или телевизора является типичным датчиком для преобразования электрической энергии в механическую, а затем и в энергию звуковой волны. Таким образом, воспринимающий элемент представляет собой устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.

Телеметрия получила широкое распространение в современном мире, при организации беспроводных сетей и широко используется в таких областях производства и науки как: сельское хозяйство, водоснабжение и водоотведение, медицина, военном дело, авиация,  космонавтика, автомобильный и железнодорожный транспорт,  системы глобального позиционирования, в т. ч. GPS мониторинг транспорта, IP-мониторинг, энергетика, системы безопасности (сигнализация, видеонаблюдение).

В современной телеметрии существует технологии, так называемые системы подвижного мониторинга объектов. Преимуществом использования системы мониторинга является не только возможность контролировать перемещение транспортного средства и его состояние, но и значительно оптимизировать расходы на его эксплуатацию, расходы по управлению транспортом в автопарках, вагонов в железнодорожных тупиках и т. д. Мониторинг может использоваться в противоугонных системах транспорта и при поиске людей и животных. 

Большинство воспринимающих элементов, используемых в космической телеметрии, содержат механические элементы, которые изменяют электрическое сопротивление, емкость или индуктивность электрических цепей, хотя существуют также особые воспринимающие элементы, работа которых основана на пьезоэлектрическом или термоэлектрическом эффекте. С их помощью можно обнаружить и преобразовать в электрические сигналы вибрацию, давление, напряжение, температуру, деформацию и другие изменения физических параметров.

  Системы подвижного мониторинга объектов позволяют контролировать перемещения любых движущихся объектов, как транспортных средств, так и людей. Главной задачей мониторинга является контроль в режиме реального времени местоположения объекта и маршрута его движения. Система мониторинга позволяет сохранять маршруты движения объекта, создавать отчеты о движении объекта, его скорости, простое, о техническом состоянии транспортного средства посредством аналогового подключения к датчикам автомобиля. Существует возможность создания маршрута движения и контроля его прохождения [1].

На подвижном объекте размещается мобильный навигационный контроллер с приемником GPS, gsm/gprs с приемным передатчиком и различными видами датчиков. GPS-приёмники принимают сигналы с видимых спутников. Информация о географическом положении  объекта, поступают на датчики в точно реальном  времени. Данные с датчиков по gsm каналу передаются в центр управления  т. е на сервера с установленными  специализированным программным обеспечением для приема телеметрической информации.  Центр управления принимает и обрабатывает поступающие  данные и отображает информацию о положении каждого движущегося объекта на карте в реальном времени.

Центр управления может посылать команды на мобильный навигационный контроллер, например, включать звуковой сигнал, останавливать двигатель, изменять направление движения, доставлять сообщения и т. д.

Системы беспроводной передачи данных широко применяются в телеметрических устройствах [2].

В качестве среды передачи телеметрической информации как данных, используются  беспроводные сети, такие как радио, GSM/GPRS, WLAN, можно использовать.  Проводные сети, такие как телефонные, ISDN, xDSL, компьютерные электрические или оптические сети так же используют системы телеметрии.

Для передачи информации  в телеметрических  системах  использються протоколы RS-232, RS-485, TCP/IP, Ethernet.

В основном в телеметрических  системах  используется беспроводная сеть. Это обусловлено простотой инсталляции и высокой надежностью радиочастотных систем передачи данных. Во многих практических случаях подвести проводные линии связи к объекту наблюдения либо чрезвычайно затруднено, либо невозможно физически [3].

Промышленные телеметрические системы используют практически все стандарты беспроводной передачи данных. Основные важные характеристики, на основании которых в телеметрических системах  используется  та или иная  беспроводная сеть это:

Расстояние передачи данных и характеристики пространства. Скорость передачи информации. Требование совместимости с существующими стандартами. Количество работающих устройств в сети.

В таких сетях обязательно должны быть использованы телеметрические GSM/GPS-модемы, которые позволяют не только отслеживать перемещение каких-либо ценных объектов по всему миру, но и получать в реальном времени данные о текущем состоянии тех или параметров мобильного объекта. При этом они могут следить за такими параметрами, как температура, уровень заряда аккумуляторов, уровень влажности, текущее состояние и т. п. Эта функциональность сослужит хорошую службу заказчикам из любой отрасли, которым необходимо следить за технологическими процессами и оптимизировать их, совершенствовать управление материальными ресурсами и сокращать потери.

Современные GSM-модемы имеют расширенный набор интерфейсов, что позволяет стыковать их с большим количеством промышленного оборудования. GSM-модемы используются для получения информации о работе заправочных станций, газораспределительных установок, состоянии систем питания базовых станции сотовых операторов и множества другого оборудования.

В качестве заменителя кабельного соединения RS-232 телеметрических системах используется беспроводное соединение  Bluetooth,  в которой  высокая помехозащищенность канала связи и большая скорость передачи данных. Bluetooth соединения очень удобны для  получения телеметрической информации от промышленного оборудования.

Для сбора информации и данных в промышленных  сетях используются сетевые ZigBee-технологии, которые оснащены  большим числом  беспроводных датчиков, в том числе и с автономным питанием или питанием с гальванического элемента.  С помощью маломощных ZigBee-модулей производится  сбор информации с сотен датчиков, которые построенный как одна сеть и обладают способностью передавать информацию по цепочке. В настоящее время используются ZigBee трансиверы для построения телеметрических систем в промышленной автоматике.

В настоящее время беспроводная сеть Wi-Fi  (Wireless Fidelity), получила очень широкое распространение, она стала самой используемой технологией на сегодняшний день. В беспроводной сети WI-FI технологии используют для передачи данных с различных радиочастотой, спектр которых достаточно ограничен.

В основу технологии легла методика передачи данных по радиоканалу на частоте 2,4 ГГц с использованием кодирования сигнала рабочими частотами и специальными приложениями. Технология Wi-Fi используется для организации высокоскоростных беспроводных локальных сетей, работающих в международном не лицензируемом диапазоне частот (ISM) 2,4 ГГц и 5 ГГц. Области применения этой технологии связаны с сетями для выхода в Интернет, беспроводной передачей аудио и видеоинформации, промышленной телеметрией, транспортными локальными беспроводными сетями [4,5]. 

Основным преимуществом Wi-Fi перед другими технологиями (Bluetooth, ZigBee) является высокая скорость передачи (до 600 Мбит/с). Поэтому эта технология столь бурно развивается в таких областях бытовой электроники, как беспроводной доступ в Интернет, беспроводное телевидение, беспроводные DVD-проигрыватели и т. д.

Впервые технология Wi-Fi была сертифицирована двадцать лет назад, когда Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) сформировал рабочую группу по стандартам для беспроводных локальных сетей 802.11. В прошлом году (20.09.2010) рабочая группа 802.11 торжественно отпраздновала 20-летний юбилей стандарта [6].

В 1999 г. была создана независимая международная организация Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), куда вошли ведущие мировые производители оборудования для беспроводной связи. В настоящее время членами WECA являются около 100 компаний, в числе которых Cisco, Alcatel-Lucent, 3Com, IBM, Intel, Apple, Compaq, Dell, Fujitsu, Siemens, Sony, AMD и др. Эксперты этой организации тестируют различные Fi-Wi-устройства и гарантируют их совместимость с оборудованием, выпускаемым другими фирмами — участниками альянса [5].

Широко распространена  беспроводная сети Wi-Fi  при сборе и передачи информации в системах телеметрии. Современные беспроводные сети Wi-Fi используют телеметрию в системах как «умный» дом, телекоммуникационных услугах, интернет технологиях и т. д. Так же применяется Wi-Fi в различных беспроводных телеметрических системах на транспорте. Практически все беспроводные видеокамеры и регистраторы скорости, установленные на автомагистралях, используют Wi-Fi. Также эта технология используется для организации локальных сетей между зданиями и промышленными объектами. Следует подчеркнуть, что диапазон Wi-Fi 5 ГГц является наиболее предпочтительным для организации промышленных локальных сетей при наличии помех высокого уровня. Благодаря жесткой привязке к конкретной области, внутри которой распространяется информация, Wi-Fi является идеальной технологией для платного выхода в Интернет в кафе, ресторанах, гостиницах и других общественных помещениях.

В настоящее время используются  3G Wi-Fi-роутеры с использованием телеметрии. Роутер 3G Wi-Fi необходим для организации беспроводного соединения. Это устройство представляет собой Wi-Fi-точку доступа, снабжено интерфейсами RS485/RS232/ USB/Console/Ethernet, способно работать в сетях стандартов GSM (EDGE/GPRS) и 2G/3G/4G (UMTS/EV-DO).

3G Wi-Fi-роутеры используются в современных системах удаленного контроля и мониторинга, делая возможным автоматическое считывание показателей с различных измерительных приборов. Это устройства применяется в беспроводной компьютерной сети для телеметрии:

в системах управления технологическими процессами на промышленных предприятиях; медицине — для дистанционного контроля состояния пациента; системах видеонаблюдения; вендинге (терминалы оплаты, торговые автоматы); банковском секторе (POS-терминалы, банкоматы).

На сегодняшний день беспроводная сеть  Wi-Fi широко популярная сеть, которую заслуженно можно считать прорывом в истории беспроводных коммуникаций. Однако WI-FI технологии используют для передачи данных радиочастоты, спектр которых достаточно ограничен. Кроме того, по мере удаления от передатчика, сигнал слабеет, что ведет к появлению проблемных зон, в которых передача данных затруднена. Очевидно, что данная технология не способна в полной мере удовлетворить непрерывно растущие потребности человечества. Поэтому закономерно появление новых более эффективных методов передачи данных.

Более популярной становиться сеть Li-Fi, которая имеет большие преимущества в будущем. Li-Fi (Light Fidelity) — это двунаправленная, высокоскоростная беспроводная коммуникационная технология, непосредственно основанная на технологии телеметрии.

Данный вид передачи данных использует как канал связи видимый свет, спектр которого, по сравнению с радиоволнами Wi-Fi невообразимо шире, а именно в 10000 раз. Этот метод коммуникации  представил немецкий физик Харальд Хасс в 2011 году в Эдинбургском университете. Он же и ввел термин Li-Fi.  Разработками ученый занимался более 10 лет совместно с Фуданьским университетом в Шанхае.  Li-Fi принадлежит к технологиям VLC (Visible Light Communications)  [3].

Эту  технологию можно использовать для рассылки двоичных данных на любые приемники, включая смартфоны, оборудованные декодером и находящиеся в диапазоне действия светодиодного устройства.  Диапазон работы Li-Fi может варьироваться в зависимости от силы света, испускаемого светодиодами. Также был поставлен рекорд скорости в 800 Мбит/c на расстоянии 2 метров. Напомню, что наибольшая скорость передачи данных современных технологий на таком же расстоянии была зафиксирована в Гонконге и составила 43 Мбит/c, в Казахстане средняя скорость составляет 10-15 Мбит/c [7]. 

Принцип работы сети Li-Fi  описанная компанией «PureLiFi»: «При прохождении постоянного тока через светодиод (LED) последний излучает непрерывный поток протонов, который и даёт видимое свечение. Если напряжение медленно меняется, меняется и интенсивность свечения – в ту или иную сторону. Поскольку светодиодные лампы являются полупроводниковыми устройствами, ток, а стало быть, и интенсивность излучения, можно модулировать на очень высоких скоростях, и эти изменения свечения улавливать фотодетектором, преобразовывая их обратно в электрический ток. Модуляция интенсивности свечения не заметна для человеческого глаза, то есть потребителю будет казаться, что лампа светит как обычно, и поэтому связь является такой же непрерывной, как связь при помощи радиочастот». 

К недостаткам этой технологии можно отнести следующие моменты: во-первых, видимые световые лучи не способны проникать через стены. Это означает то, что для непрерывной связи придется установить лампы в каждом помещении, где хотят использовать Li-Fi.

Теоретически можно объединить все лампы в квартире в mesh-сеть, через которую можно передавать сигнал, например, из одной комнаты в другую через общий коридор. Кроме того, этот недостаток позволяет повысить информационную безопасность с точки зрения сохранения конфиденциальности передачи данных.

Ещё одной проблемой является то, что Li-Fi не работает вне помещения под прямыми солнечными лучами, а это значит, что в ближайшее время на смену публичным точкам доступа Wi-Fi не придут публичные точки доступа Li-Fi. Благодаря использованию специальных фильтров технология может использоваться в помещениях, куда проникает солнечный свет. Это значит, что высокоскоростной интернет станет доступным, например, в самолетах и в помещениях, оснащенных мощным оборудованием.

Таким образом, в данной статье мы изложили, сделаны нами  обзор телемитрии в беспроводных сетях. Как видим телемитрия используется во всех видах бнспроводной сети и да же в проводных сетях. В беспрводных сетях широко испльзуется системы телеметрии, так называемые системы подвижного мониторинга объектов, что является самым важным в характеристике этой системы.

Литература

адиотехника и телеметрия в промышлености. Практическое руководство. Издательство: Группа ИДТ. Москва, 2008 г.,- 320 стр. Lee, Yong Up; Kavehrad, Mohsen «Long-range indoor hybrid localization system design with visible light communications and wireless network», Photonics Society Summer Topical Meeting Series, 2012 IEEE, vol., no., pp.82-83, 9–11 July 2012. P. Haigh, F. Bausi, Z. Ghassemlooy, I. Papakonstantinou, H. Le Minh, C. Flйchon, and F. Cacialli, «Visible light communications: real time 10 Mb/s link with a low bandwidth polymer light-emitting diode»,"Opt. Express 22, 2830-2838 (2014) лифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2010 – 944 с. омпьютерные сети. – СПб.: Питер, 2012 – 960 PA2 на защите беспроводных сетей Wi-Fi http://www. technorium. ru/cisco/wireless/wpa2.shtml ,   LI-FI – Новая технология беспроводной передачи данных при помощи света./ Материалы международной практической конференции. Управление инновациями: теория, методология, практика. Выпуск №6. Россия, г. Новосибирск, 2013

References

D. Bailey Radar and Telemetry in the industry. A Practical Guide. Publisher: IMT Group. Moscow, 2008, -. 320 pages. Lee, Yong Up; Kavehrad, Mohsen «Long-range indoor hybrid localization system design with visible light communications and wireless network», Photonics Society Summer Topical Meeting Series, 2012 IEEE, vol., no., pp.82-83, 9–11 July 2012. P. Haigh, F. Bausi, Z. Ghassemlooy, I. Papakonstantinou, H. Le Minh, C. Flйchon, and F. Cacialli, «Visible light communications: real time 10 Mb/s link with a low bandwidth polymer light-emitting diode»,"Opt. Express 22, 2830-2838 (2014) Olifer Olifer N. works. Principles, technologies, protocols: Textbook for universities. 4th ed. - SPb.: Peter, 2010 - 944 p. E. Tanenbaum Computer Networks. 960 - - SPb.: Peter, 2012 PA2 to protect Wi-Fi http://www. technorium. ru/cisco/wireless/wpa2.shtml wireless networks Podlesny SA, Polyakova O. LI-FI - New technology for wireless data transmission using light / Proceedings of the international conference.. Innovation Management: Theory, methodology, practice. Issue №6. Russia, Novosibirsk, 2013

,

Сымсыз желілерде телеметрия ж\уйесін талдау

Ма\калада телеметрикалы\к а\кпаратты ара-\кашы\кты\кта орналас\кан объектілерден алу\га ж\ане GSM, GPS модемдерді \колдану жолдары \карастырыл\ган. Сонымен \катар GSM/GPRS, WLAN, Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi  ж\ане Li-Fi сымсыз желілерде \колданылатын телеметрикалы\к ж\уйелер  \к\ырылымы мен ж\ымысы ж\онінде жазыл\ган.

Т\уйін с\оздер: телеметрия, сымсыз желі, роутер, сымсыз коммуникациялы\к технология, модем.

Koxsegen Aliya Erishevna, Dzhumagalieva Ainur Maksimovna

Overview telemetry system for wireless networks

This article is dedicated systems of getting telemetry information from the deleted objects and how to use modems GSM and GPS to monitor them. The article describes the structure and operation of wireless networks GSM/GPRS, WLAN, Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, Li-Fi and how to use telemetry system.

Keywords: telemetry, wireless network, router, wireless communication technology, modem.

Сведения об авторах:

К\оксеген \Алия Еріш\кызы – старший преподаватель, кафедры «Иинформатика»,  Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина.

Адрес: г. Астана, пр. Победы 62, каб. 2818, ,

e-mail: *****@***ru.

– старший преподаватель, кафедры «Информатика», Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина.

Адрес: г. Астана, пр. Победы 62, каб. 2818, ,

e-mail: *****@***ru