Сенсорные сети: универсальная отладочная платформа уровня узла

Введение

Цифровой радиоканал, как технология комплексирования пространственно- распределенных в датчиков.

Прогресс в технологиях миниатюризации электронных устройств подталкивается, в основном потребностями в развитии регулярных схем. Это элементы памяти разного типа, увеличение объема которых — безусловно востребованный результат. Следующей по скорости использования новых технологических возможностей областью является производство микропроцессоров, существенную часть кристаллов которых, занимает буферная память. Внедрение микроэлектронных технологий в область радиоэлектронных приложений не происходило столь заметно, как в цифровой сфере, но в настоящее время, достижения в этой сфере широко представлены в трансиверах. Существенной технологической предпосылкой появления средств цифровой радиосвязи в интегральном исполнении, по-видимому, следует считать возможность создания в едином кристалле с радиомодемом микроконтроллера - средства адаптивного управления сложными способами модуляции в канале. Наличие микроконтроллера в радиотракте, естественным образом обеспечило технологическую возможность реализации разного рода сетевых протоколов, что и было реализовано в готовых продуктах.

Малые размеры элементов цифровых средств связи и наличие в них возможностей сетевого взаимодействия привели к появлению целого спектра новых применений в области средств управлении и наблюдения за пространственно распределенными объектами — сенсорных сетей.

Постановка задачи

Появление возможности интегрирования в вычислительные структуры технологии беспроводной связи позволяет создавать новые типы систем сбора и обработки информации о состоянии распределенных объектов. Дешевизна аппаратных средств, их малое энергопотребление и возможность практически неограниченного тиражирования, делают актуальной постановку задачи о создании проекта типового узла распределенной однородной системы сбора и обработки данных.

Прототип типового узла — универсальная отладочная платформа

Основные требования к системе состоят в следующем:

Минимально возможные ограничения на масштабируемость проектируемой системы

В предположительных сферах применения сенсорных сетей не всегда будет возможна установка заранее известного количества датчиков, достижима регулярность в их размещении и обеспечение надежного канала межузловой связи. Поэтому узлы должны обладать достаточными возможностями по адаптации к решению поставленной задачи.

Для чего необходимы: максимальная автономность функционирования узла и минимальная необходимость взаимодействия узлов «по вертикали».

Возможность выполнения узлами системы групповых действий.

Под групповыми действиями понимается функционирование выбранных узлов одного уровня системы по событиям, назначенным узлом (сетью) верхнего логического уровня флагами синхронизации. Групповые действия узлов системы могут потребоваться для решения одной из фаз целевой задачи, при отладке и для анализа или точной диагностики аварийных ситуаций.

Требования к узлам распределенной сенсорно — управляющей системы

Поддержка общего для всех узлов одного уровня механизма событий. Проще всего использовать метки единого времени, возможно, использование других доступных событий, необязательно одинаковых.

Поддержка уменьшения масштаба реального времени на период групповых действий.

Требования по непредельности реализации узлов распределенных систем.

Непредельность реализации необходима из-за:

• невозможности четкой постановки конечной (на время функционирования системы) задачи;
• переформулирования задачи по мере освоения возможностей системы;
• переформулирования задачи, из-за изменения свойств среды размещения системы;
• неполного, в силу отсутствия или недостатка информации, понимания сильных и слабых сторон используемых технологий на момент начала технической реализации системы;
• влияния «эффекта размерности системы», когда поведение большого числа одинаковых объектов становится не вполне прогнозируемым;
• необходимости изменения структуры связей в системе.

Уже одна из указанных выше причин может привести к необходимости модернизации уже смонтированной части системы. Непредельность означает возможность внесения доработок в уже эксплуатирующееся оборудование без нарушения режимов и условий его функционирования.

При аппаратно-программной реализации узлов системы, пригодной для «горячей» технологической модернизации необходимо создание некоторой избыточности, а именно:

• Наличие резервных входов и датчиков разных типов для фиксирования аналоговых и дискретных величин.
• Возможность изменения через каналы связи части программ обработки данных.
• Наличие резерва вычислительной мощности и обеспечивающих ее ресурсов.

Прототип узла сенсорной сети — УСС

Постановка задачи

Целью работы по созданию прототипа узла сенсорной сети - УСС является выработка ТЗ на разработку УССИ с радиоканалом в интегральном исполнении. Для комплексирования датчиков к сенсорной сети необходимо решить задачу сопряжения их разнообразных интерфейсов с вычислителем узла. Сделать это необходимо с учетом массогабаритных и энергетических ограничений, поэтому основное внимание уделено низкоскоростным датчикам с темпом измерения ~ 10к значений в секунду на датчик.

Анализ задачи

Значительная часть известных датчиков может быть присоединена к системе с посредством унифицированных программно-аппаратных решений, и разрабатывать в первую очередь следует способы интеграции датчиков, измеряющих значения первичных электрических величин , функционально зависимых от контролируемого параметра.

Отказ от датчиков с цифровыми промежуточными интерфейсами, кроме экономии аппаратных средств позволяет сигналы со всех датчиков преобразовать в коды в единственном многоканальном АЦП.

Предлагаемое решение

Для отработки (натурного моделирования) распределенной сенсорной сети предлагается создать ее прототип на основе проводных связей. По мере отработки способов комплексирования разнообразных датчиков в УСС происходит уточнение ТЗ на УСС в интегральном исполнении и переход на связь через радиоканал.

 В настоящее время разработан и испытывается прототип измерительной функциональной компоненты узла сенсорной сети — технологический измерительный модуль - ТИМ

Основные узлы ТИМ:

• многоканальный АЦП,
• схема программируемой логики — СПЛ,
• оперативная память — ОП,
• процессорный элемент — ПЭ,
• блок сопряжения с коммуникационными интерфейсами — БС ,
• система питания.

Схема программируемой логики, кроме описанных ниже функциональных преобразований выполняет роль коммутационного элемента. Все узлы ТИМ не имеют прямых проводных соединений, а в единое целое объединены посредством радиальных связей через СПЛ.

Взаимодействие узлов ТИМ

Технологический измерительный модуль принимает аналоговые и импульсные сигналы с датчиков. Информация с датчиков после преобразования в цифровые коды помещается в оперативную память (ОП). Управление процессом аналогово-цифрового преобразования осуществляется независимо от работы процессорного элемента схемой программируемой логики. В ОП схемой ПЛ поддерживается массив ячеек для отсчетов каждой измеряемой величины. Процессорный элемент может обращаться к любой ячейке без ожиданий и прерываний по событиям, т. к. процессы поступления данных в очереди и их извлечения для обработки носят стационарный характер и данные в памяти всегда готовы.

Процессорный элемент ТИМ производит необходимые расчеты и передает результаты в узел верхнего уровня сенсорной сети через промежуточный блок согласования (БС) — еще один узел ТИМ, функционально объединяющий в себе схемы преобразования передаваемых данных в последовательные битовые потоки и схемы сопряжения с физической средой передачи данных. Через БС осуществляется подключение к ТИМ радиомодуля.

На этапе отладки макета ТИМ через БС осуществлялась связь с инструментальным компьютером.

Система питания ТИМ вырабатывает напряжения всех необходимых уровней для всех блоков.

Конструктивное исполнение

К конструкции ТИМ не предъявлялось никаких строгих требований. Поэтому при разработке варианта конструктивного решения внимание уделялось удобству дальнейшего использования ТИМ как унифицированного средства отладки способов комплексирования в сенсорную сеть различных датчиков.

ТИМ собран на двусторонней печатной плате размером 120×60 мм. На ней размещены все перечисленные ранее блоки. Для соединения с блоками прототипов каналов связи вдоль длинных сторон платы ТИМ установлены два 28 контактных разъема. По 19 сигнальных линии разъемов заведены в СПЛ, на 3 контакта каждого разъема выведены выходы источников питания, остальные — заняты землей.

Заключение

С использованием ТИМ производилось присоединение к системе верхнего уровня — инструментальной ВМ:

• группы из 24 температурных датчиков с интерфейсом 1-WIRE;
• групп потенциометрических датчиков;
• числоимпульсных датчиков положения вала шагового двигателя;
• датчиков с широтно-импульсным представлением информации;
• датчиков контактного типа;
• датчиков тока;
• радиоинтерфейса для связи с инструментальной ВМ через WiFi порт.

Работа с изготовленным образцом ТИМ подтвердила его высокую эффективность как унифицированного средства отладки различных способов комплексирования датчиков и коммуникационных интерфейсов.