Применение и реализация беспроводной технологии Zigbee в пожарных системах безопасности
Применение
и реализация беспроводной технологии Zigbee в пожарных системах безопасности
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
.
Беспроводная технология Zigbee стандарта 802.15.4
1.1 Актуальность
построения сети Zigbee
.2 WPAN сети и
стандарты IEEE 802.15.4
.3 Архитектура
протокола сети
.4 Построение и
принцип работы сети
2.
Использование беспроводной технологии Zigbee в пожарных систамах безопасности
2.1 Устройства для
построения беспроводной сети
.2 Пожарная система
безопасности с использованием модулей
3.
Расчетная часть
3.1 Организация
пожарной безопасности
.2 Расчет зоны
действия сигнала
.3 Расчёт шумов
.4 Расчет линии
потерь
4.
Безопасность жизнедеятельности
4.1 Анализ опасных и
вредных производственных факторов
.2 Расчет освещения
.3 Расчет
кондиционирования воздуха
.4 Выбор кондиционера
5.
Технико-экономическое обоснование
5.1 Сущность проекта
.2 Производственный
план
.3 Расчёт
инвестиционных затрат
Заключение
Список
литературы
Приложения
Введение
Задачи построения всевозможных систем, использующих беспроводные каналы
там, где раньше в качестве линий связи использовались провода, актуальны в
самых разных прикладных областях. Особенно важен вопрос перехода на
беспроводную связь в распределенных системах сбора данных, управления и
автоматизации, где число устройств в сети может достигать сотен и тысяч.
Беспроводные сети привлекают внимание пользователей и разработчиков с
момента своего появления массой преимуществ, которыми они обладают по сравнению
с "классическими" проводными сетями. Это и гибкая архитектура, и
снижение затрат при монтаже. В некоторых ситуациях прокладка проводных линий
вообще невозможна по технологическим или организационным причинам. В этих
случаях связь без проводов решает массу проблем. Поэтому беспроводные системы
передачи данных выглядят более чем привлекательно для решения большого круга
задач.
Практическое использование беспроводных систем долгое время было
затруднительно из-за низкой надежности радиоканала по сравнению с проводным
соединением, высокой стоимости и высокого энергопотребления элементной базы, а
также из-за сложностей с установкой и настройкой системы на объекте установки.
Сейчас беспроводные системы сбора данных, управления и автоматизации и им
подобные стали реальностью благодаря технологиям беспроводных сетей малого
радиуса действия и появлению на рынке наборов микросхем, радиомодулей и
модемов, а также развитого программного обеспечения, поддерживающего
стандартные протоколы управления и передачи данных.
На сегодняшний день "в быту" мы чаще всего применяем как минимум
три стандарта беспроводной связи по радиоканалу: GSM как отличное средство для телефонии, WiFi для домашних и офисных сетей и Bluetooth для подключения устройств и
периферии. Однако этого набора стандартов недостаточно для оптимального решения
всех "сетевых задач". В ответ на запросы потенциальных пользователей
появляются многочисленные "альтернативные" спецификации. Одна из них
- IEEE 802.15.4 и связанный с ней стандарт ZigBee.
В данной работе рассматривается возможность применение
технологии Zigbee стандарта 802.15.4 в чрезвычайных
ситуациях и проектируется система пожарной безопасности с использование
беспроводных устройств.
1. Беспроводная
технология Zigbee стандарта 802.15.4
1.1 Актуальность построения сети Zigbee
В 2001 г. Институту инженеров электротехники и электроники IEEE было предложено выработать стандарт,
относящийся к семейству беспроводных персональных сетей WPAN и получивший обозначение 802.15.4. В
2002 г. был основан альянс ZigBee.
Альянс ZigBee - быстро растущий некоммерческий
промышленный консорциум компаний-лидеров рынка полупроводниковых компонентов,
технологических компаний, OEM-производителей
и конечных потребителей со всего мира. Альянс разрабатывает глобальную
спецификацию стека ZigBee для
высоконадежных, рентабельных, энергоэкономичных беспроводных приложений,
используя механизм передачи пакетов данных IEEE 802.15.4.
Любой стандарт, будь то интерфейс проводного обмена данными или
беспроводная связь, создается для решения своего круга задач. К примеру, WiFi позволяет связываться на средних
расстояниях с относительно большими скоростями передачи данных; позволяя
передавать видео и аудио, WiFi
ориентирован на применение для доступа беспроводных устройств в корпоративные
сети и Интернет. Также стандарт Bluetooth предназначен для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth существенно проигрывает в скорости WiFi; он идеален для передачи потокового
аудио или видео, к примеру, между компонентами домашнего кинотеатра. Основная
задача, решаемая при помощи ZigBee,
- передача небольших объемов данных на средние расстояния. Специфичность
предназначения ZigBee состоит в
том, что приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь минимальное
энергопотребление. С IEEE
802.15.4 и ZigBee нельзя передавать качественное
потоковое аудио или видео высокой четкости, зато можно реализовать сложные
схемы мониторинга.
Рисунок 1.1-
Классификация основных беспроводных стандартов
Основная цель альянса - выработка единой спецификации программного стека
протоколов ZigBee, поддерживающей различные сетевые
типа «звезда», «кластерное дерево», «многоячейковая сеть» с функциями
безопасности и совместимыми профилями различных приложений. Спецификация ZigBee позволяет реализовывать беспроводное
сетевое решение, основанное на едином глобальном стандарте, с поддержкой
скоростей передачи до 250 Кбит/с, крайне низким энергопотреблением,
обеспечивающее защиту информации и надежность системы. Таким образом, ZigBee - это альянс компаний,
разрабатывающих программное обеспечение дополнительного сетевого слоя над
уровнями стандарта 802.15.4. Члены альянса определяют новые рынки применения
совместимых беспроводных сетей. Благодаря участию в консорциуме все его
активные члены имеют полный доступ ко всей технической информации по технологии
ZigBee и возможность влиять на спецификацию
ZigBee. Технология ZigBee заняла ранее пустовавшую нишу радиоинтерфейсов
которую заполняли либо устройства и технологии с более высокими техническими
характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо решения, базирующиеся
на отдельных микросхемах радиотрансиверов различных
производителей электронных компонентов, не имеющих под собой жестко
стандартизированной базы. Разработчики вынуждены были идти на повышенные
затраты при решении простых задач либо создавать собственные протоколы передачи и программные стеки для персональных
беспроводных сетей, что также сказывалось на стоимости конечного изделия и
сроках выхода готового продукта на рынок. В результате часто терялись новизна и
интерес рынка к продукции. ZigBee/802.15.4
является единственной стандартизирован-ной беспроводной технологией, изначально
нацеленной на следующие приложения мониторинга и контроля, распределенные сети
датчиков, на развертывание беспроводных информационных сетей для малопотребляющих
систем, используемых в коммерческой, промышленной и домашней автоматике:
− системы управления освещением (промышленные, муниципальные
и домашние);
− промышленная и домашняя автоматика и управление (отопление,
вентиляция и кондиционирование (ОВК), вспомогательные устройства и
оборудование);
− потребительская электроника (мультимедиа/развлекательные
системы, портативная электроника), бытовая техника,
− периферийное оборудование ПК: мышь, клавиатура, игровые
приставки, джойстики;
− системы сигнализации и безопасности, аварийного оповещения,
системы контроля доступа, бесконтактные ключи, датчики дыма, газа, движения,
пламени, температуры, давления и т.д.;
− устройства медицинской диагностики пациента, мониторинг
состояния спортсменов, биодатчики и медицинское оборудование;
− удаленные управление и контроль технологических процессов,
управление движущимися аппаратами, станками, промышленным оборудованием,
холодильными установками, устройствами дистанционного сбора данных, телеметрия;
− мониторинг промышленных и портовых активов, логистика;
− мониторинг систем водо-, газо- и теплоснабжения, системы
управления и инструментального контроля электроэнергии, системы
жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ);
− беспроводные устройства обмена информацией, радиомодемы,
радиопередача
− автомобильная электроника (системы контроля давления в
шинах, противоугонные системы, системы идентификации и диагностики) и т.д.
Одним из основных преимуществ стандарта ZigBee/802.15.4 является простота
установки и обслуживания подобных устройств. Особенности спецификации ZigBee
позволяют с легкостью развертывать беспроводные персональные сети: «Вы
вынимаете устройство из коробки, вставляете в него батареи и нажимаете
соответствующую клавишу. Затем подносите два устройства друг к другу и удерживаете
нажатыми кнопки до тех пор, пока не загорятся зеленые светодиоды». Таким
образом осуществляется объединение двух устройств в сеть либо привязка,
например, выключателя света к определенной лампе. Реализация данного принципа
предполагает внедрение ZigBee-модулей во все новые приборы и системы как в
небольших помещениях (дом, офис), так и на предприятиях (промышленная зона,
заводы). [1]
1.2 WPAN сети и стандарты IEEE 802.15.4
На сегодняшний день широкое распространение получили следующие три
семейства стандартов для построения беспроводных вычислительных сетей: - IEEE 802.11 - Wireless Local Area Network (WLAN -
беспроводные локальные вычислительные сети);
IEEE
802.15 - Wireless Personal Area Network (WPAN -
беспроводные персональные вычислительные сети);
IEEE
802.16 - Broadband Wireless Access (BWA -
беспроводной широкополосный доступ).
Перед нами не стоит цель проводить подробный анализ каждого из стандартов
беспроводных сетей. В данном разделе основное внимание будет уделено WPAN-сетям, в частности, сетям ZigBee и новому в семействе персональных
беспроводных сетей стандарту IEEE
802.15.4. Семейства сетевых стандартов 802.11 и 802.16 приводятся здесь лишь
для сравнения.
Беспроводная персональная вычислительная сеть WPAN представляет собой локальную сеть с малым радиусом
действия, обычно не превышающим 15...20 м, и предназначается для замены
кабельных соединений между персональными компьютерами, а также для связи с
разнообразной периферией и мультимедиа устройствами (КПК, принтеры, факсы,
сканеры, стереосистемы, и т.д.). Однако некоторые WPAN-сети способны работать на дальности до 100 м (ZigBee, Bluetooth). Первым стандартом, способным
реализовать данные задачи, стал IEEE
802.15.1. Стандарт базируется на спецификации Bluetooth vl.x и определяет
физический уровень (PHY layer) и уровень доступа к среде (MAC layer). Следующим шагом в расширении семейства 802.15 было
создание стандарта, обеспечивающего взаимодействие устройств классов 802.11 и
802.15. Вскоре для устройств, работающих в зоне WPAN-ceтей,
оказалось недостаточно скоростей, обеспечиваемых Bluetooth. Возникла потребность в выработке
стандарта, позволяющего создавать беспроводной канал данных с пропускной
способностью в десятки и сотни Мбит/с (IEEE 802.15.3). Перечисленные выше стандарты отлично
подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с
высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с). Устройства на их основе способны
работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов) на дальности передачи
от 10 до 100 м. Эти стандарты позволяют заменить проводные соединения в
устройствах, с которыми мы имеем дело каждый день (компьютеры, вычислительные
сети). Однако существует огромное множество на первый взгляд незаметных систем
(разнообразные датчики, системы сбора информации и т.д.), обладающих
спецификой, вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со
стопроцентной эффективностью использовать упомянутые технологии. Для реализации
подобных задач был выработан стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) для
низкоскоростных WPAN-сетей (см.
рисунок 1.2).
Очевидно, что беспроводные сети короткого радиуса действия будут
взаимодействовать между собой. Планируется разработать оборудование,
выполняющее функции шлюза между разными беспроводными сетями. Так, если система
безопасности, построенная на ZigBee,
обнаружит злоумышленника, она соединится с сетью IEEE 802.11, чтобы известить об этом компьютер, а тот, в
свою очередь, передаст SMS на
мобильный телефон хозяина или позвонит в службу охраны. Сравнительные
характеристики стандартов семейства 802.15 и стандарта 802.lib приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1- Сравнение стандартов семейств 802.15. и 802.11b
|
Стандарт
|
802.15.4 Zigbee
|
802.15.1
Bluetooth
|
802.11b Wi-Fi
|
|
Прииложения
|
Мониторинг,
управление
|
Голос, данные
|
Данные, видео
|
|
Частота, ГГц
|
0.868
|
0.915
|
2.4
|
|
Преимущества
|
Цена,
энергосбережение, размеры
|
Цена, передача
голоса
|
Скорость,
гибкость
|
|
Макс.скорость
|
20 кбит/с
|
40 кбит/с
|
250 кбит/с
|
1 мбит/с
|
11 мбит/с и более
|
|
Дальность, м
|
10-100, 1000
|
100
|
100
|
|
Чувствительность,
дБм (сред).
|
-92
|
-70
|
-76
|
|
Размер стека ,
кБайт
|
|
>250
|
>1000
|
|
Срок службы батареи, дней
|
100-1000
|
1-7
|
0,5-1
|
Исходя из приведенных характеристик, ближайшими конкурентами являются
технологии Bluetooth и ZigBee. Соответственно, примерно схожи области их
применимости - беспроводные устройства домашнего и промышленного назначения,
включая системы дистанционного управления, компьютерной периферии и т.д. Однако
в отличие от технологии Bluetooth, ZigBee разработана для приложений, одним из
ключевых требований которых является низкое энергопотребление. Периоды
активности устройств, выполненных по технологии ZigBee, могут быть крайне малы, что обеспечивает
продолжительный срок службы батарей. Кроме того, микросхемы Wi-Fi и Bluetooth слишком дороги для организации на их основе крупных сетей разнообразных
устройств в масштабах предприятий и офисных зданий, а стандарт 802.15.4/ZigBee позволяет разрабатывать беспроводные
интерфейсы с минимальными затратами, что обеспечивается простотой схемотехники,
минимальным количеством внешних пассивных элементов, программным обеспечением
стека, использующим отведенный ему объем памяти с высокой эффективностью (см.
таблицу 1.1). Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией,
таким образом обслуживая очень большое число узлов и увеличивая дальность связи
без дополнительных затрат на усилители мощности.
Технология ZigBee не
предназначена для передачи больших объемов информации, как Wi-Fi или Bluetooth. Однако для передачи, например, показаний датчиков, объем которых редко
превышает десятков байт, не требуется высоких скоростей - в этом случае
обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности.
Большинство устройств ZigBee
будет работать по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем»
состоянии практически все время, обеспечивая оптимальный режим
энергосбережения. При поступлении новой информации либо во время очередного
сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова
переходит в режим пониженного энергопотребления. Типовые временные задержки при
этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для
перехода из «спящего» в активное состояние, 15 мс для доступа к каналу. Так
удается продлить срок службы батарей до 10 лет и более в зависимости от типа
приложения и длительности рабочего цикла, причем ток при передаче может
составлять порядка 15...30 мА, а в «спящем» режиме - менее 2 мкА. В результате,
задержки по отклику настолько малы, что человек, войдя в комнату и щелкнув
переключателем беспроводной связи ZigBee, даже не заметит, что свет появился почти мгновенно, в то время как
задержки при подключении устройствк сети Bluetooth составляют порядка 3 с.
Стандарт IEEE 802.15.4 для
беспроводных низкоскоростных персональных сетей (WPAN) определяет физический уровень PHY и уровень доступа к среде MAC. Уровень PHY обеспечивает доступ к физической среде
распространения радиосигнала: задает тип модуляции, скорость и другие параметры
сигнала, непосредственно осуществляет прием и передачу. Уровень MAC осуществляет добавление и вывод из
сети устройств, контролирует доставку пакетов данных, обеспечивает
автоматическое подтверждение приема (квитирования) данных, реализует механизмы
доступа к каналу передачи, поддерживает 128-битное AES- шифрование и другие функции. Спецификация стека ZigBee определяет сетевой уровень, уровни
безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с
решениями на базе стандарта 802.15.4 для обеспечения совместимости устройств.
Ключевые функции PHY-уровня
включают в себя контроль энергии и качества связи и анализ каналов. Доступ к
среде осуществляется в частотных диапазонах ISM (Industrial, Scientific and Medical), физический уровень использует двоичную фазовую
манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и
квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-OPSK) на частоте 2,4
ГГц. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде
с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA).
Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом
передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения,
вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт
802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных (устройство может либо
передавать, либо принимать данные), что позволяет использовать метод CSMACA только для предотвращения коллизий,
а не для их обнаружения. Дальность распространения сигнала обычно составляет 30
...50 м, однако при использовании внешних усилителей мощности, малошумящих
усилителей и согласованной антенны дальность может достигать 100 м без
существенных потерь в скорости. Пропускная способность напрямую зависит от
выбранной частоты. Максимальная скорость передачи, равная 250 Кбит/с,
достигается в диапазоне 2,4 ГГц (16 каналов с шагом 5 МГц). Для частот 868 МГц
(1 канал) и 902 - 928 МГц (10 каналов с шагом 2 МГц) скорости передачи равны
соответственно 20 Кбит/с и 40 Кбит/с
Рисунок 1.2- Краткая характеристика стандарта 802.15.4
Ожидается, что львиную долю рынка беспроводных устройств ZigBee/802.15.4 будут удерживать решения
диапазона 2,4 ГГц. Это связано, прежде всего, с тем, что в Европе в диапазоне
868,3 МГц доступен лишь один канал, а диапазон 915 МГц разрешен только в США,
Канаде, Корее и Австралии. В результате субгигагерцовые диапазоны являются
потенциально непривлекательными для OEM-производителей, в то время как диапазон 2,4 ГГц разрешен для
использования практически во всем мире, что является одним из важнейших
критериев при определении характеристик будущих устройств. Однако в дальнейшем
в системах коммерческого назначения возможно появление шлюзов, связывающих ZigBee-устройства в различных частотных
диапазонах стандарта 802.15.4. По данным агентства InStat/MDR, в
течение пяти лет, начиная с 2004 г., в соотношении объемов потребления
субгигагерцовых и 2,4 ГГц трансиверов стандарта 802.15.4 не произойдет
каких-либо значительных изменений. Объем рынка 2,4 ГГц микросхем будет
составлять 65...75% от общего рынка устройств ZigBee/802.15.4. Одним из немногих недостатков диапазона 2,4
ГГц можно считать некоторую насыщенность его спектра абонентами различного
происхождения (микроволновые печи, беспроводные телефоны на частотах 2,4 ГГц,
устройства Bluetooth и 802.lib). Преимущество субгигагерцовых диапазонов заключается
в меньшей насыщенности и несколько увеличенной дальности передачи при прочих
равных условиях по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц. Распространенный в Европе
диапазон 868,3 МГц вскоре может получить дополнительный стимул в развитии, что,
вероятно, отразится на интересе к нему со стороны OEM-производителей. Европейский институт стандартов по
телекоммуникациям (ETSI) находится в
процессе получения разрешения на использование дополнительных каналов в данном
диапазоне, однако процесс может затянуться на годы [1].
1.3 Архитектура протокола сети
Любой стандарт, будь то интерфейс проводного обмена данными или
беспроводная связь, создается для решения своего круга задач. К примеру, WiFi позволяет связываться на средних
расстояниях с относительно большими скоростями передачи данных; позволяя
передавать видео и аудио, WiFi
ориентирован на применение для доступа беспроводных устройств в корпоративные
сети и Интернет. Также стандарт Bluetooth предназначен для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth существенно проигрывает в скорости WiFi; он идеален для передачи потокового
аудио или видео, к примеру, между компонентами домашнего кинотеатра. Основная
задача, решаемая при помощи ZigBee,
- передача небольших объемов данных на средние расстояния. Специфичность
предназначения ZigBee состоит в том,
что приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь минимальное
энергопотребление. С IEEE
802.15.4 и ZigBee нельзя передавать качественное
потоковое аудио или видео высокой четкости, зато можно реализовать сложные
схемы мониторинга и управления практически в любой сфере.
Документ IEEE 802.15.4
описывает частоты, аппаратные особенности и прочие параметры сети, в то время
как документ ZigBee содержит в себе описание процесса
сетевого управления, параметры безопасности, а также немаловажные понятия
совместимости и профилей устройств. [3]
Особенностью сетей IEEE
802.15.4-2006 является возможность реализации практически любой топологии,
включая сотовую.
Стек протоколов ZigBee
построен по принципу иерархической семиуровневой модели протоколов передачи
данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни
стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию
канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений,
определенные спецификацией Альянса ZigBee.(см. рис 1.3)
Архитектура IEEE 802.15.4
определяет в свою очередь ряд уровней, призванных упростить стандарт. Каждый
уровень ответственен за одну часть стандарта и предоставляет услуги
вышерасположенному уровню.
Интерфейсы между уровнями определяют логические связи, описанные в данном
стандарте.
Рисцнок 1.3- Архитектура
стека ZigBee/802.15.4
Документ IEEE Std 802.15.4 определяет спецификации
физического уровня (PHY) и подуровень
доступа к сетевой среде MAC (Medium Access Control) для низкоскоростной беспроводной среды с
портативными переносными устройствами и максимальным расстоянием доступности POS (Personal Operating Space) равным 10 метрам. При этом предполагается, что при
более низких скоростях передачи возможна работа и на больших расстояниях (<
100 м).
Физический уровень стека
Физический уровень PHY
предоставляет два вида услуг: информационный сервис PHY и сервис управления, обеспечивающий взаимодействие с
сервисом PLME (Physical Layer Management Entity) точки доступа SAP (известный под названием PLME-SAP).
Информационный сервис PHY
делает возможным передачу и прием через радиоканал протокольных блоков данных PPDU (Protocol Data Unit).
Стандарт определяет следующие скорости передачи данных: 250 кбит/c, 100кбит/c, 40 кбит/c и 20
кбит/c. Прием и передача данных по
радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип
модуляции, максимальную скорость, число каналов: O-QPSK -
квадратичная фазовая манипуляция со смещением для диапазона 2,4 ГГц (16
каналов, 250 Кбит/с), BPSK -
двоичная фазовая манипуляция для частот 915 МГц (10 каналов, 40 Кбит/с) и 868
МГц (1 канал, 20 Кбит/с). Уровень PHY осуществляет активацию/дезактивацию приемопередатчика, детектирование
энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного
канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку
свободного канала для реализации протокола CSMA-CA
(протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением
коллизий). Важно понимать, что стандарт 802.15.4 - это физическое радио
(микросхема радиоприемопередатчика), а ZigBee - это логическаясеть и программный стек,
обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.[2]
Радиооборудование работает на одном из нелицензируемых частотных
диапазонах:
− 868-868.6 МГц (например, для Европы)
− 902-928 МГц (для Северной Америки)
− 2400-2483.5 МГц (для остального мира)
Рисунок 1.4- Выбор радиоканалов в IEEE 803.15.4 (PHY 2400 МГц) [4]
МАС уровень стека
Субуровень MAC предоставляет
два сервиса: информационный MAC-сервис
и сервис управления MAC-уровня -
обеспечение интерфейса для субуровня управления MLME (MAC Level Management Entity) для точек доступа (известных как MLME-SAP). Информационный сервис MAC обеспечивает прием и передачу протокольных блоков
данных MAC-уровня (MPDU) с помощью информационного сервиса физического
уровня.
Характерными особенностями субуровня MAC являются использование управления маяками (beacon), реализация доступа, управление GTS (Guaranteed Time Slot), проверка корректности кадров, подтверждение
доставки кадров и т.д. Кроме того, субуровень MAC обеспечивает поддержку механизмов безопасности на
прикладном уровне.
Данный стандарт опционно разрешает использование структуры суперкадра.
Формат суперкадра определяется координатором. Суперкадр ограничен сетевыми
маяками (beacon), посланными координатором
(см.рисунок 1.4) и содержит 16 равных по длительности временных доменов.
Опционно суперкадр может содержать активную и пассивную секции. В неактивный
период координатор может перейти в режим экономного расходования питания.
Кадр-маяк передается в первом домене каждого суперкадра. Если координатор не
хочет использовать структуру суперкадра, он отключит передачу маяков. Маяки
нужны для синхронизации подключенных устройств, чтобы идентифицировать PAN, и описать структуру суперкадров.
Любое устройство, желающее осуществлять обмен в период CAP (Contention Access Period) между двумя маяками, конкурирует за
это право с другими устройствами, использующими доменный механизм CSMA-CA. Все обмены завершаются до момента следующего сетевого
маяка. [4]
Характеристики MAC
уровня:
− 64-битная IEEE адресация, 16-битная адресация внутри
локальных сетей (теоретически максимальное количество устройств в сети 264,
организация простых сетей при использовании 16-битной локальной адресации с
болеечем 65 тыс. (216) устройств).
Способы адресации:
− идентификаторы: сетевой ID + ID устройства (топология
«Звезда»);
− идентификатор Отправителя/ Получателя (передача между
равноправными узлами);
− вхождение в сеть/выход из сети
автоматическая/полуавтоматическая организация сети;
− формат пакетов сообщений сети ZigBee, максимальная полезная
загрузка одного пакета данных составляет 104 байта данных, максимальная длина
кадра равна 127 байт;
− уровни безопасности:
− свободный доступ к сети;
− список контроля доступа;
− таймеры определения задержек при передаче и актуальность
пакетовданных;
− шифрование с использованием 128-битного симметричного ключа
AES;
− механизм доступа в сеть, функции временного разделения и
гарантированных временных интервалов, доступ к каналу посредством протокола
CSMA-CA;
− поддержка сетевых топологий, включая соединения типа «точка
- точка», «звезда», многоячейковой и кластерной топологий;
− оповещение о поступлении пакета данных, подтверждение
приема (ACK), 16-битный контроль ошибок (CRC);
− пакетный/потоковый режимы передачи. [2]
1.4 Построение и принцип работы сети
В соответствии с технологией Zigbee сети беспроводной передачи включают в свой состав
устройства нескольких классов - полнофункциональные- маршрутизаторы (Full function device - FDD),
устройства-координаторы (Coordinators - FFD с дополнительными системными
ресурсами в зависимости от сложности сети) и устройства с ограниченной
функциональностью (Reduced
function device - RDD).
Устройство обеспечивают расширенные возможности по построению топологии сети,
могут выполнять роль координатора работы сети (главной станции радиосети) и
могут обмениваться сообщениями с любой другой станцией сети. Устройства второго
типа могут работать только в сети звездообразной формы, не могут выполнять
функции координации работы сети обмена данными и имеют упрощенную конструкцию.
Последнее свойство - изначально заложенное в идеологию технологии неравенство
возможностей устройств при их работе в единой сети - как раз и позволяет
обеспечить их чрезвычайно низкое потребление. [5]
В каждой локальной сети ZigBee
имеется только одно устройство-координатор. Основная задача координатора
заключается в установке параметров и создании сети, выборе основного
радиочастотного канала, в задании уникального сетевого идентификатора. При этом
координатор является наиболее сложным из трех типов устройств, обладает
наибольшим объемом памяти и повышенным энергопотреблением (питание от сети).
Маршрутизаторы используются для расширения радиуса действия сети, поскольку
способны выполнять функции ретрансляторов между устройствами, расположенными
далеко друг от друга. Устройства поддерживают любую сетевую топологию ZigBee, могут выполнять функции
координатора и обращаться ко всем узлам сети (FFD и RFD).
Устройства с ограниченным набором функций не участвуют в маршрутизации,
не могут выполнять функции координатора, обращаются только к координатору
локальной сети (FFDустройству),
поддерживают соединения типа «точка - точка» и «звезда», играют роль оконечных
сетевых узлов. На практике большинство узлов сети являются RFD-устройствами, а применение FFD-устройств и координаторов необходимо
для образования мостов связи и соответствующей сетевой топологии. Как только
маршрутизаторы и другие устройства подключаются к сети, они получают информацию
о ней от координатора или любого уже задействованного в сети маршрутизатора и
на основе этой информации устанавливают свои операционные параметры в
соответствии с характеристиками сети. Маршрутизатор ZigBee получает таблицу сетевых адресов, которые он
распределяет между подключившимися к сети оконечными устройствами. Устройство FFD использует древовидную адресацию при
принятии решений о маршрутизации. Для повышения эффективности маршрутизации,
алгоритм ZigBee позволяет FFD-устройствам использовать сокращенную адресацию.
Каждый маршрутизатор, на котором предполагается использовать сокращения, должен
поддерживать таблицу, содержащую пары вида DN, где D -
это адрес цели, а N - адрес
следующего устройства на пути к этой цели. Сочетание маршрутизации по
древовидному принципу и на основе таблицы обеспечивает гибкость работы и
предоставляет разработчикам выбор оптимального соотношения цена/ производительность.
[2]
Стек ZigBee поддерживает различные конфигурации
сети, в том числе следующие топологии: «точка - точка», «звезда», «кластерное
дерево(иерархическое)» и «многоячейковая сеть» (см. рис 1.5). Сетевые функции
стека включают в себя сканирование сети для обнаружения активных каналов,
идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных
каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной
сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям
устройств, маршрутизацию. Это позволяет устройствам автоматически входить в
сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной
точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу.
Рисунок 1.5- Варианты топологии сетей
В зависимости от типа, каждое устройство имеет определенные сетевые
функции:
− координатор сканирует сеть и определяет свободные каналы
для организации сети;
− маршрутизатор (FFD) сканирует сеть, находит активные каналы
и пытается войти в состав существующей сети либо создает собственную
персональную сеть на правах координатора, если нет активных каналов или не
произошло объединение с активной сетью. Если произошло объединение, согласно
правилам уже существующей сети координатор примыкающей локальной сети
переводится в ранг маршрутизатора и передает всю информацию о локальной сети
координатору существующей сети. Из сигнального пакета синхронизации от
координатора новообразованный маршрутизатор получает необходимую информацию о
временных параметрах сети для обнаружения последующих сигнальных пакетов;
− оконечное RFD устройство всегда пытается войти
всуществующую сеть;
Топология «кластерное дерево» обеспечивает масштабируемость сети и
расширение зоны покрытия, не требуя дополнительных затрат на инфраструктуру.
Сеть типа «кластерное дерево» может включать в себя несколько подсетей с
топологией «звезда» и устройствами с ограниченными функциями (RFD). Помимо топологий типа «звезда» и
«кластерное дерево» технология ZigBee
поддерживает многоячейковый принцип построения сетей. При такой топологии любой
сетевой узел может выполнять также функции маршрутизатора для других устройств
в сети. Если возникло препятствие на пути сигнала от одного узла к другому
(бетонная или металлическая преграда и т.п.), выбирается альтернативный маршрут
для передачи данных адресату. Более плотная концентрация сетевых узлов приводит
к более защищенной, надежной системе. Если один из узлов вышел из строя,
маршрут автоматически определяется через другие узлы сети, и в результате сеть
становится самовосстанавливающейся. Однако в многоячейковой сети срок службы
автономных источников питания уменьшается за счет применения метода
синхронизованного доступа, увеличивается сложность определения каналов передачи
и происходит задержка (десятки миллисекунд) при каждой пересылке сообщения
сетевым узлам.
Все узлы многоячейковой сети способны обнаруживать другие узлы и,
распознав друг друга, вычислять оптимальный путь передачи пакетов, максимальную
скорость обмена, частоту возникновения ошибок и время ожидания. Рассчитанные
значения передаются соседним узлам, а оптимальный путь передачи трафика
выбирается исходя из мощности принимаемых сигналов. Процессы обнаружения узлов
и выбора пути идут постоянно, поэтому каждый узел поддерживает текущий список
соседей и при изменении их расположения может быстро вычислить наилучший
маршрут. Если какой-то узел изымается из сети (для технического обслуживания
или вследствие сбоя), соседние узлы быстро изменяют конфигурацию своих таблиц и
заново определяют маршруты потоков трафика. Это свойство самовосстановления и
преодоления сбоев существенно отличает сети с ячеистой топологией от сетей с
жесткой архитектурой.[2] Существует три вида транзакций передачи данных. Одна
из них сопряжена с передачей данных координатору, которому передает информацию
сетевое устройство. Вторая транзакция связана с пересылкой данных от
координатора к сетевому устройству. К третьему виду транзакций относится обмен
данными непосредственно между сетевыми устройствами. В топологии звезда
используются только две транзакции, так как возможен информационный обмен
только между координатором и сетевым устройством. В топологии P2P возможна реализация всех трех видов транзакций.
Механизм каждого типа обменов зависит от того, поддерживает ли сеть
передачу маяков. Сети PAN с
поддержкой маяков используются в сетях, которые либо требуют синхронизации,
либо поддерживают сетевые устройства, требующие малой задержки отклика, такие
как периферия PC. Если сеть не нуждается в
синхронизации или малых задержках, она может не использовать кадры-маяки для
стандартных обменов. Однако маяки в любом случае нужны для восстановления сети.
Когда сетевое устройство хочет передать данные координатору в сети PAN с поддержкой кадров-маяков, оно
сначала пытается детектировать кадр-маяк (beacon). Когда маяк обнаружен, устройство синхронизируется
со структурой суперкадра. В соответствующий момент времени, устройство передает
свой информационный кадр, используя доменный алгоритм CSMA-CA,
координатору. Координатор может опционно подтвердить успешную доставку путем
посылки кадра подтверждения. Данная последовательность действий отображена на рисунке.1.6.
Рисунок 1.6- Передача данных координатору в PAN с использованием маяков (beacon)
Когда сетевое устройство хочет передать данные в сети PAN без поддержки маяков, оно просто
посылает информационный кадр координатору, используя бездоменную схему CSMA-CA. Координатор опционно подтверждает успешную доставку данных
посылкой кадра подтверждения. Данная последовательность операций отображена на
рис. 1.7.
Рисунок 1.7- Коммуникации с координатором в PAN без меток
Когда координатор хочет передать данные сетевому устройству в сети PAN с поддержкой маяков, он определяет
по сетевому маяку, какие данные ожидают отправки. Устройство периодически
прослушивает сетевые маяки (beacon),
и если имеется ожидающее отправки сообщение, передается МАС-команда запроса
данных, с использованием доменного механизма CSMA-CA.
Координатор подтверждает получение запроса данных с помощью соответствующего
кадра (ACK). С использованием доменного
механизма CSMA-CA ожидающий отправки кадр данных пересылается, если возможно,
то сразу после подтверждения. Устройство может подтвердить успешное получение
данных путем отправки кадра подтверждения. На этом транзакция завершается. При
успешном завершении транзакции сообщение удаляется из списка ожидающих
отправки, который был записан в маяке. Последовательность описанных действий
представлена на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8. Передача данных из коммуникатора сети PAN, использующей маяки
Когда координатор хочет передать данные сетевому устройству в сети PAN без поддержки маяков, он запоминает
данные для соответствующего устройства и выполняет запрос данных. Сетевое
устройство может установить контакт с координатором путем отправки MAC-команды запроса данных, используя
механизм бездоменного CSMA-CA, со скоростью обмена, заданной
приложением. Координатор подтверждает успешное получение информационного
запроса с помощью кадра подтверждения. Если информационный кадр ждет отправки,
координатор посылает устройству кадр данных, используя бездоменный механизм CSMA-CA. Если кадра данных, ждущего отправки нет, координатор
фиксирует этот факт либо в пакете подтверждения, следующем за запросом данных,
либо в информационном кадре с нулевой длиной поля данных. Если нужно,
устройство подтверждает успешное получение кадра данных. Последовательность
действий для данной схемы отображена на рис. 1.9.[4]
Рисунок 1.9- Телекоммуникации из координатора в сеть PAN без маяков
Оптимизация энергопотребления является приоритетной задачей при
построении ZigBee сетей. Одним из решений этой задачи
является стратегия связи, основанная на передаче данных только при их
поступлении и последующее ожидание подтверждения в случае успешного приема
пакета со стороны адресата. При этом каждое устройство может инициировать
передачу в любой момент. Очевидным недостатком данного метода является
вероятность интерференции при одновременной передаче данных несколькими
устройствами. Однако возможность наложения сводится к минимуму благодаря крайне
малой длительности активного цикла устройства, случайности момента передачи и,
как правило, небольшим объемам передаваемой информации.
Надежность соединения повышается за счет использования протокола CSMA-CA. Стратегия простого множественного доступа применима только
к соединениям типа «точка - точка» или «звезда». Она подходит не всем
приложениям. Для предотвращения нежелательного взаимодействия возможно
использование протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA). Технология ZigBee/802.15.4 гарантирует временные
интервалы по принципу схожему с технологией TDMA, но использование данного разделения возможно только
совместно с режимом синхронизации и временного разделения, что является более
сложным и менее энергоэффективным алгоритмом по сравнению с обычным TDMA-доступом. Временное разделение ZigBee базируется на использовании режима
синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, большую часть
времени находящиеся в «спящем» состоянии, периодически «просыпаются» для приема
сигнала синхронизации от сетевого координатора, что позволяет устройствам
внутри локальной сетевой ячейки знать, в какой момент времени осуществлять
передачу данных. Координатор управляет обменом, выделяет каналы и осуществляет
вызовы с интервалом от 15 мс до 252 с. Передача сигнальных пакетов определяет
пропускную способность, обеспечивает малое время ожидания очереди доступа и
выделение 16 временных интервалов одинаковой длительности, на каждом из которых
исключены коллизии в сети.
Рисунок 1.11- Синхронизированный доступ в сеть ZigBee
Временной интервал доступа для каждого из узлов сети определяется либо
координатором, либо посредством механизма CSMA-CA.
Интервалы покоя необходимы для реализации энергосберегающих режимов сетевого
координатора при работе от автономного источника питания.
Недостаток - состояние ожидания сигнала синхронизации приводит к
незначительному увеличению энергопотребления из-за наличия небольших временных
расхождений, что вынуждает устройства «просыпаться» немного раньше, чтобы не
пропустить сигнал. Функция синхронизированного доступа применяется в сетях с
расширенной топологией, таких как «кластерное дерево» и «многоячейковая
сеть».[2]
В таблице 1.2. приводятся различия в пересылках данных между
координатором и узлом сети для случаев простого множественного доступа и
доступа с функцией синхронизации. Стандартный множественный доступ может иметь
место в системах безопасности и охраны зданий при организации ZigBee- сети разнообразных датчиков
(проникновения, движения, дыма и т.д.).
Условиями применимости можно считать общее время состояния покоя систем
порядка 99,9%, переход устройств в активное состояние в псевдослучайные моменты
времени для сообщения координатору о своем присутствии в сети. В момент датчик
сразу переходит в активное состояние и передает сигнал тревоги. При этом
координатор, работающий от сети питания, постоянно находится в активном
состоянии и принимает сигналы от всех оконечных сетевых устройств.
Таблица 1.2- Протоколы пересылок для двух стратегий доступа в сеть.
|
Направление
передачи данных
|
Синхронизированный
доступ
|
Простой
множественный доступ
|
|
К координатору
|
-ожидает сигнальный пакет
-синхронизация с сетью -передача данных в определенный момент по протоколу CSMA/CA -подтверждение приема
|
-передача данных в момент появлении данных по протоколу CSMA/CA -
подтверждение приема
|
|
От координатора
|
-сообщает наличие новых
данных -ожидание пакета данных, если есть новые, устр-во запрашивает данные в
опред.интервал времени протоколу CSMA/CA -подтверждение получения запроса
|
-хранение данных, пока нет
запроса -посылает запрос по протоколу CSMA/CA
-передает подтверждение получения запроса от устр. -пересылка данных
|
Синхронизированный доступ позволяет координатору иметь автономное питание
благодаря отсутствию случайных пересылок от оконечных устройств.
− Регистрация в сети в данном случае происходит следующим
образом:
− оконечное устройство сразу после подачи питания ждет
сигнала синхронизации от координатора существующей сети ZigBee (временной
интервал ожидания сигнала 0,015…252 с);
− обмен первичной информацией с координатором и ожидание
ответа;
− переход в состояние покоя, «пробуждение» в моменты,
определяемые координатором сети ZigBee;
− по окончании сеанса связи с оконечным устройством
координатор также переходит в состояние покоя.
Данный способ доступа предполагает незначительное увеличение стоимости
времязадающих цепей в каждом из узлов сети. Более длительные интервалы
состояния покоя предполагают наличие точных времязадающих цепей, а ранний
переход в активное состояние для уверенного приема сигнального пакета увеличивает
потребление электроэнергии принимающей стороной. Максимальное значение периода
синхронизации (252с) стремлением ограничить предельную точность цепи времени.
[2]
2. Использование
беспроводной технологии Zigbee в пожарных систамах
безопасности
2.1 Устройства для построения беспроводной сети
ZigBee
является наиболее молодой и перспективной технологией для построения
беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для
объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков
и выключателей с батарейным питанием. Стандарт 802.15.4. оговаривает следующие
параметры радиосети - диапазон частот, тип модуляции, структуру пакетов,
правила формирования контрольной суммы, способы предотвращения коллизий и т.д.
Все эти характеристики, в большей или меньшей степени, реализуются в микросхеме
приемопередатчика (трансивера). Трансиверы, отвечающие стандарту 802.15.4,
могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно
организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер,
в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек
протоколов ZigBee. К управляющему контроллеру
выдвигаются определенные требования - память программ должна быть не менее 64
кбайт, если устройство будет исполнять роль координатора, для оконечного
устройства достаточно 4 кбайт программной памяти. [7]
Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это небольшие платы (2...5 кв. см.), на которых
установлен чип трансивера, управляющий микроконтроллер и необходимые дискретные
элементы. В управляющий микроконтроллер, в зависимости от желания и возможности
производителя закладывается либо полный стек протоколов ZigBee, либо иная программа, реализующая
возможность простой связи между однотипными модулями. В последнем случае модули
именуются ZigBee-готовыми (ZigBee-ready)
или ZigBee-совместимыми (ZigBee compliant). Все модули очень просты в
применении - они содержат широко распространенные интерфейсы (UART, SPI) и управляются с помощью небольшого набора несложных
команд. Применяя такие модули, разработчик избавлен от работы с
высокочастотными компонентами, т. к. на плате присутствует ВЧ трансивер, вся
необходимая "обвязка" и антенна. Модули содержат цифровые и
аналоговые входы, интерфейс RS-232
и, в некоторых случаях, свободную память для прикладного программного
обеспечения. [6] Предлагаю рассмотреть продукцию ведущих производителей. (см.
таблицу 2.1)
Таблица 2.1 - Продукция ведущих производителей Zigbee устройств
Из выше перечисленных устройствах следует остановиться на продукциях
известных производителей. Основными же являются продукции компаний Freescale, TI/Chipcon, Digi. Предлагаю рассмотреть технические
характеристики и достоинства основных продуктов каждого производителя. [6]
Продукция компании Freescale
Freescale - одна из первых полупроводниковых компаний, которая начала заниматься
беспроводной тематикой на 2,4 ГГц. Поэтому, рассмотрений всевозможных вариантов
микросхем беспроводной связи стандарта 802.15.4 ассортимент продукции этой
компании был изучен в первую очередь Первыми микро- схемами этого стандарта
были MC1319x - весьма удачные трансиверы, которые на протяжение многих лет
успешно применяются в массовом производстве беспроводных устройств.
MC13191
и MC13192 - радиотрансиверы диапазона 2,4
ГГц, предназначенные для использования в системах беспроводной передачи данных
стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, но могут быть использованы для организации любого
радиоинтерфейса, не только ZigBee-совместимого.
Трансиверы имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель
мощности (до 4 dBm), встроенный
стабилизатор напряжения, схемы кодирования / декодирования обеспечивают
поддержку протоколов физического уровня (PHY) стандарта IEEE 802.15.4. Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь портов ввода-вывода общего
назначения и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с
программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим
микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.
Трансиверы MC1319х работают с
микроконтроллерами серий HCS08,
HC9S12(X), DSC, но могут использоваться совместно с
любым другим контроллером имеющим SPI интерфейс.[6]
Таблица 2.2 Характеристика трансиверов MC1319x
|
Параметр
|
МС13191
|
МС13192
|
|
Способ передачи
|
Пакетная
|
Пакетная,
потоковая
|
|
Поддержка сетевых топологий
|
Звезда,
точка-точка
|
Все возможные
|
|
Программное
обеспечение
|
SMAC
|
SMAC,802.15.4MAC
|
|
Диапазон частот,
ГГц
|
2,405…2,485
|
|
Скорость
передачи, кбит/сек
|
250
|
|
Модуляция
|
Q-QPSK
|
|
Число каналов
|
16 каналов с
шагом 5 МГц
|
|
Выходная
мощность, дБм
|
Настраиваемая
программно -16…+4
|
|
Рабочая
температура
|
-40ºС …+85 ºС
|
Продукция компании Texas Instruments (Chipcon)
Новый приемопередатчик CC2520
стандарта 802.15.4, компанией Texas Instruments, с
полным основанием может быть отнесен к компонентам класса hi-rel. Он предназначен для сложных условий эксплуатации и
работает в расширенном температурном диапазоне.
CC2520
представляет собой ZigBeeTM/IEEE 802.15.4 трансивер второго
поколения, специально спроектированный для радиочастотных приложений с частотой
2,4 ГГц. Трансивер позволяет создавать устройства индустриального класса
благодаря способности работать в сложной помеховой обстановке, отличному
энергетическому потенциалу радиолинии и работоспособности до температуры 125 С.
В дополнение, CC2520 предоставляет расширенную
аппаратную поддержку для обработки пакетов, буферизации данных, шифрования и
аутентификации данных, оценки уровня зашумленности канала, индикации уровня
радиосигнала и временной информации о пакетах. Эти возможности уменьшают
нагрузку на управляющий микроконтроллер.
Особенности:
− Высокая стойкость к помехам на соседнем канале
− Отличный энергетический потенциал радиоканала -103 дБ
− Расширенный температурный диапазон -40... +125 С
− Аппаратная поддержка функций IEEE 802.15.4 / MAC
− Режим совместимости интерфейса с СС2420
− Модуль аппаратного кодирования AES-128
Преимущества:
− Позволяет создать индустриальные решения в диапазоне 2,4
ГГц
− Способность работы в окружении устройств Bluetooth® и Wifi
− Аппаратные блоки снижают нагрузку на внешний
микроконтроллер [6]
Таблица 2.3- Характеристика трансивера CC2520
|
Параметр
|
Минимальное
значение
|
Типичное
|
Максимальное
|
|
Условия
эксплуатации
|
|
|
Диапазон частот,
ГГц
|
2.394
|
2.4835
|
2.507
|
|
Скорость
передачи, кбит/сек
|
250
|
|
Рабочая
температура
|
-40ºС …+85 ºС
|
|
Выходная
мощность, дБм
|
-18
|
|
+5
|
|
Режим приема
|
250
|
|
|
Чувствительность
приемника, дБм
|
-98
|
|
Ток потребления в
режиме приема, мА
|
22
|
|
|
|
|
|
Продукция компании Digi
Радиочастотная продукция компании Digi (в прошлом MaxStream) хорошо известна мировым разработчикам благодаря
радиочастотным модулям XBeeTM
и XBee-PROTM. XBeeTM
и XBee-PROTM - малогабаритные модули стандарта ZigBee/IEEE 802.15.4, предназначенные для построения промышленных
сетей передачи данных. Модули прекрасно подходят для построения систем передачи
802.15.4 с топологией «точка - точка» или «звезда». Управление модулями
осуществляется через интерфейс UART с
помощью АТ-команд. Модуль XBee-PROTM отличается от XBeeTM повышенной мощностью излучения и,
соответственно, увеличенным радиусом действия.
Модули выпускаются в трёх вариантах - с проводной антенной, со встроенной
чип-антенной и с разъемом для подключения внешней антенны. Модули не требуют
конфигурирования и содержат встроенный протокол пакетной передачи данных с
проверкой целостности передаваемых данных. Это позволяет быстро добавлять
беспроводную передачу данных в любые существующие системы. Создание
беспроводных радиосистем теперь доступно даже для разработчика не очень хорошо
разбирающегося в радиопередающих устройствах.
Весной 2008 года компания Digi
выпустила модуль повышенной мощности XBee-PRO ZNet 2.5, который позволяет передавать данные на
расстояние до 1,6 километра на открытой местности и до 100 м в помещении. Новый
модуль совместим по выводам и командам управления с модулем XBee ZNet 2.5 стандартной мощности. На сегодняшний день
доступны модули с разъемом RPSMA,
однако компания Digi планирует
также выпуск модулей с проводной антенной, чип-антенной и разъемом UFL. [6]
Таблица 2.4. Характеристика модулей XBee, XBee-Pro
|
Параметры
|
XBee
|
XBee Pro
|
|
Радиус действия в
помещении, м
|
30-100
|
100-1000
|
|
Радиус действия в
пространстве, м
|
100
|
>1000
|
|
Выходная
мощность, мВт
|
1
|
100
|
|
Скорость
передачи, кбит/сек
|
250
|
|
Чувствительность
приемника, дБм
|
-92
|
-100
|
|
Ток потребления в
режиме приема, мА
|
45
|
270
|
|
Диапазон частот,
ГГц
|
2,4
|
|
Рабочая
температура
|
-40ºС …+85 ºС
|
|
Количество каналов
|
16
|
13
|
2.2 Пожарная система безопасности с использованием
беспроводных модулей
Беспроводные технологии находят применение во всех областях человеческой
деятельности. Одно из самых важных отраслей внедрения технологий является
безопасность. Изобретая новые технологии, применяя их в быту, наука стремится
сделать нашу жизнь легче и безопасней. Целью моей выпускной работы является -
использование беспроводной технологии в чрезвычайных ситуациях, в частности,
рассмотреть вопрос системы пожарной безопасности.
Неотъемлемым компонентом любой системы пожарной сигнализации являются
датчики. На основе их показаний формируется так называемая «картина пожара»,
т.е. определяется место возгорания, площадь пожара, направление и скорость его
распространения, вычисляются безопасные пути эвакуации людей из помещений. В
современных системах датчики объединяются в группы, взаимодействующие с одним
приемно-контрольным устройством. Каждое такое устройство осуществляет слежение
за состоянием датчиков своей группы и подает тревожный сигнал на центральный
пульт при обнаружении угрозы возгорания. По способу связи с приемно-контрольным
устройством различают три типа датчиков: автономные извещатели, проводные и
беспроводные датчики. Автономные извещатели осуществляют индикацию режимов
работы непосредственно в месте установки. Для подачи тревожного сигнала
используется встроенный излучательзвука, работоспособность извещателя
подтверждается светодиодным индикатором. Автономные извещатели не требую
прокладки кабелей и питаются от батареи. Некоторые разновидности автономных
извещателей могут объединяться при помощи кабелей в автономные системы пожарной
сигнализации. Сигнал тревоги в таких системах выдается всеми излучателями
одновременно при обнаружении возгорания хотя бы одним из них. Преимущество
такого способа пожарной охраны здания - в информировании людей, находящихся,
например, на кухне первого этажа дома, о возгорании в спальне на втором этаже.
Основной недостаток автономных извещателей - отсутствие удаленного мониторинга
объекта и оповещения о чрезвычайной ситуации при отсутствии людей в помещении.
Проблема оповещения о пожаре в отсутствие людей решается с использованием
проводных датчиков, связанных с приемно-контрольным модулем посредством 2-х или
4-х проводного интерфейса. Линии интерфейса используются также для питания
датчика. Аппаратные средства проводных датчиков могут осуществлять локальную
аудиовизуальную индикацию состояния, однако основная их задача - передача
информации в контрольный модуль. Наличие проводного интерфейса - основной
недостаток датчиков этого типа, поскольку монтаж проводной системы пожарной
сигнализации требует существенных затрат. Кроме того, закладку проводной
системы датчиков охранно-пожарной сигнализации лучше предусматривать на стадии
проектирования СКС данного объекта. В противном случае возникает необходимость
дополнительных мер по сокрытию кабелей и стоимость работ многократно
возрастает. Часто, по архитектурным, эстетическим или другим соображениям,
прокладка сигнальной проводки затруднена или вообще невозможна. В этом случае
целесообразно применение автономных беспроводных датчиков с передачей
информации по радиоканалу. Датчики данного типа являются следующим шагом в
построении распределенных систем пожарной сигнализации. Они, как правило, включают
в себя все доступные средства индикации режимов, как локальные, так и
удаленные, имеют автономное питание, обладают рядом дополнительных сервисных
функций. Их недостатком является более высокая, по сравнению с другими типами
датчиков, стоимость, обусловленная внедрением новых технологий и оригинальных
решений в простое, на первый взгляд, устройство. Однако там, где требуется
быстрое развертывание системы сигнализации, оперативное изменение ее
конфигурации и удаленный мониторинг состояния помещения, альтернативы
автономным датчикам с радиоинтерфейсом практически не существует. Датчики
пожарной сигнализации подразделяются на группы по способу обнаружения
возгорания. При пожаре происходят три основных процесса в месте горения:
задымление, повышение температуры, уменьшение содержания кислорода в воздухе.
На сегодняшний день, самыми распространенными являются датчики, реагирующие на
повышение температуры. Они имеют простую конструкцию и, как правило,
объединяются в проводную сеть. Все большую популярность обретают устройства,
способные распознавать дым. Это связано с тем, что в начале пожара температура
в помещении повышается медленно и резко возрастает только при открытом пламени.
Датчики дыма способны диагностировать возгорание, когда пламени еще нет, что позволяет
избежать сильного пожара, и способствует сохранению имущества и человеческих
жизней. На рисунке 2.1 представлена обобщенная блок-схема датчика дыма,
использующего дымовую камеру в качестве инструмента определения задымления и
содержащего основные элементы вышеназванных типов пожарных датчиков. Многие
крупные зарубежные компании, такие как Ademco, Siemens,
Digital Security Control, Visonic
и др., предлагают широкий спектр отдельных компонентов или законченных
радиосистем контроля и диагностики возгораний. Основным элементом блока датчика
дыма является интегральная схема датчика дыма. Я рассматриваю несколько
вариантов построения датчиков с использованием микросхем различных
производителей. Тем самым, демонстрирую принцип построения схемы и работы пожарной
сигнализации.
Рисунок 2.1- Обобщенная блок-схема датчика дыма
Рисунок 2.2- Блок-схема системы пожароной сигнализации с радиоканалом
На рисунке 2.2 показана блок-схема системы пожарной сигнализации,
использующей радиоканал для сбора информации от датчиков дыма. Система
построена с использованием автономных беспроводных датчиков дыма с
радиопередающим модулем и локальной аудиовизуальной индикацией режимов работы.
Передача данных через радиоканал осуществляется только от датчиков дыма к
приемным и контрольным модулям, что позволило значительно сократить
энергопотребление датчиков. В результате, для питания датчика достаточно одной
батареи, при незначительном проигрыше в надежности работы системы (по сравнению
с аналогичными системами с двухсторонним обменом). Для сокращения
энергопотребления были применены схемотехнические приемы и специальные
алгоритмы работы микроконтроллера, входящего в состав датчика дыма. Каждому
датчику дыма в системе присвоен индивидуальный номер, который задается на
производстве в момент занесения программы в память МК, либо при развертывании
системы, с использованием аппаратных средств приемного модуля. Каждый
приемно-контрольный модуль системы имеет идентификатор, который, вместе с
номером, заносится в память датчика. Это необходимо для построения адресной
системы пожарной сигнализации с закреплением за датчиком или группой датчиком
своей зоны ответственности. В результате, образуются так называемые соты, каждая
из которых включает себя определенное количество датчиков дыма и один приемно -
контрольный модуль. В свою очередь приемные модули могут быть объединены в
единую систему пожарной охраны здания посредством любого проводного интерфейса.
Система способна обслуживать до 255 датчиков дыма в пределах соты при
наличии помех и нескольких работающих параллельно систем пожарной сигнализации.
Возможно расширение системы до 1024 датчиков дыма при отсутствии постоянных
радиопомех и интерференции с другими радиосигналов. Дальность передачи от
датчиков к приемному модулю составляет более 30 метров внутри помещений и более
300 метров на открытом пространстве. Надежность передачи данных через
радиоинтерфейс обеспечивается помехоустойчивым кодированием информации и коррекцией
ошибок на стороне приемного модуля. Срок работы датчика дыма при питании от
стандартной 9-вольтовой батареи емкостью 400 мАч составляет не менее одного
года.
Основным элементом блока датчика дыма является интегральная схема датчика
дыма. Я рассматриваю несколько вариантов построения датчиков с использованием
микросхем различных производителей. Тем самым, демонстрирую принцип построения
схемы и работы пожарной сигнализации.
На рисунке 2.3 приведена блоксхема датчика дыма с радиоинтерфейсом.
Основным элементом блока датчика дыма является интегральная схема датчика дыма MC145010/12 компании Motorola.
Рисунок 2.3- Блок-схема датчика дыма с радиофицированного датчика дыма
Микросхема использует эффект оптического рассеяния светового потока
продуктами горения при определенной концентрации частиц внутри дымовой камеры.
Помимо опроса дымовой камеры на наличие дыма, микросхема осуществляет питающего
напряжения и отслеживает изменение чувствительности дымовой камеры. Локальная
индикация работы осуществляется встроенной звуковой сигнализацией и
светодиодом. Цепь тестирования позволяет проверять работоспособность датчика
посредством нажатия и удержания кнопки, выведенной на его корпус, что имитирует
задымление камеры. Питание микросхемы собственно датчика дыма и его периферии
осуществляется от 9-В батареи, в то время как блок интерфейса работает при
питании +2,5 В. Для сопряжения функциональных блоков датчика задействована
схема преобразования уровней напряжений. В качестве основного элемента
радиоинтерфейса используется микроконтроллер MC68HC908RF2 интегрированным в корпус радиопередатчиком.
Функции МК - обработка сигналов о наличии задымления камере, о снижении уровня
питающего напряжения и изменении чувствительности камеры, поступающих с выходов
микросхемы датчика дыма, и обслуживание протокола передачи данных по
радиоканалу.
Программно осуществляются:
− защита от ложных информационных сигналов, поступающих с
микросхемы датчика дыма;
− временное разделение (с индивидуальными задержками) между
сеансамисвязи, зависящими от номера датчика, что гарантирует отсутствие
интерференции с другими датчиками системы и выравнивание сроков службы батарей
датчиков при работе в дежурном режиме;
− исключение одновременной передачи информации о задымлении
при обнаружении пожара несколькими датчиками системы;
− помехоустойчивое кодирование передаваемой информации;
− энергосберегающие алгоритмы и функции.
Датчик дыма работает в трех режимах. Дежурный режим предполагает
минимальное энергопотребление. Каждые 8 секунд датчик опрашивает дымовую камеру
на наличие локального задымления; каждые 32 секунды проверяются уровень
напряжения питания и чувствительность камеры и осуществляется локальная и
удаленная индикация состояния. Локальная индикация производится однократным
включением светодиода каждые 32 с. По мере разряда батареи, при снижении
напряжения ниже порога в 7±0,5 В, датчик начинает выдавать кратковременный
звуковой сигнал «РАЗРЯД БАТАРЕИ» одновременно с светодиодного индикатора каждые
32 с. Это происходит в течение мимнимум одной недели. Во время эксплуатации
датчика возможно снижение чувствительности дымовой камеры. При уменьшении
чувствительности, а также при неисправностях электронной схемы, датчик выдает
каждые 32 с кратковременный звуковой сигнал «НЕИСПРАВНОСТЬ», не совпадающий по
времени с включением оптического индикатора, также в течение одной недели.
Удаленная индикация сводится к передаче информации о состоянии датчика через
радиоинтерфейс не менее 4 раз в час. Режимы снижения уровня напряжения и
чувствительности камеры не являются критическими и не требуют мгновенной
активизации радиопередачи, и, следовательно, данная информация передается в
приемно-контрольный модуль при каждом штатном сеансе связи.
При обнаружении локального задымления, датчик переходит в режим «ПОЖАР»,
включает прерывистый звуковой сигнал «ТРЕВОГА» одновременно с включением
оптическогоиндикатора не реже одного раза в секунду. Опрос дымовой камеры
производится каждые 8 секунд. Информация о состоянии датчика в режиме «ПОЖАР»
передается удаленному приемному модулю не реже одного раза за 90 с. Датчик
находится в данном режиме до тех пор, пока в камере есть задымление. При
активации цепи проверки работоспособности датчика происходит имитация
локального задымления на время нажатия кнопки на корпусе датчика.
Следовательно, описание работы датчика в режиме «ПОЖАР» применимо и в данном
случае.
Использование батареи в качестве автономного позволило отказаться от
проводов, но поставило задачу обеспечения срока работы датчика от одной батареи
течение минимум 1 года. Решение данной проблемы осуществляется на аппаратном и
программном уровнях. Во-первых, основное требование к аппаратной части датчика
- минимальное потребление электроэнергии всеми частями схемы в неактивном
режиме. Во-вторых, минимизация потребления во время активной фазы работы
отдельных частей датчика. В-третьих, сокращение длительностей активных фаз
каждого элемента датчика. В-четвертых, аппаратная и программная реализации
«спящего» и активного режимов. В-пятых, полностью отключаемые модуль
радиопередатчика и схема усиления. В результате, удалось добиться снижения до 30
мкА тока, потребляемого датчиком в дежурном режиме, при номинальном напряжении
питания.
На рисунке 2.4 показана блок-схема приемно-контрольного модуля. Модуль
построен на основе микроконтроллера MC68HC908GP32 фирмы Motorola и включает в себя следующие функциональные блоки: радиоприемный модуль
на основе микросхемы MC33591/4
фирмы Motorola, внешнюю энергонезависимую память,
датчик температуры, ЖКИ, клавиатуру, звукоизлучатель и светодиодные индикаторы.
Предусмотрена возможность подключения персонального компьютера для считывания
журнала событий, изменения ПО и режимов работы модуля через интерфейс RS-232. Удаленные мониторинг и
управление приемно-контрольным модуля осуществляются посредством подключения
модема для телефонной линии или Ethernet-модуля, либо по проводной шине. [8]
Рис. 2.4 Блок-схема приемно-контрольного модуля
Компания Texas Instruments предлагает изящное беспроводное
решение для создания систем безопасности и измерительных приборов. Оно основано
на сочетании известного микроконтроллера MSP430 и приемопередатчиков TI из производственной линейки Chipcon СС1100 и СС1021. При принятии решения об
использовании определенного протокола необходимо определиться с частотным
диапазоном. Частотный диапазон сильно зависит от законодательства,
регулирующего целевые рынки.
Условия распространения радиоволн в диапазоне 868 МГц/915 МГц могут быть
лучше, чем в диапазоне 2,4 ГГц. В данной статье внимание уделяется частотному
диапазону менее 1 ГГц, но большая ее часть посвящена изделиям Texas Instruments с диапазоном 2,4 ГГц. В зависимости
от используемой частоты, необходимо учитывать местное законодательство. В США
действуют правила FCC, в Европе все
регулирование осуществляет ETSI,
рассматриваемые ниже. На рисунке 2.5 показаны ограничения, существующие на
данный момент. Они касаются коэффициента заполнения и эквивалентной выходной
мощности ERP. В то же время, выбор необходимого
приемопередатчика определяется разнесением каналов. Приемопередатчик CC1100 компании Texas Instruments из линейки Chipcon предназначен для работы в многоканальном режиме, а
приемопередатчик CC1021
оптимизирован для работы в узкополосном режиме. Новые правила ETSI снижают ограничения на ERP, но требуют применения метода
«прослушивания канала» (listen before talk, LBT), т.е. передатчик должен проверить, свободен ли канал
для исключения помех. Новое регулирование в диапазоне 868 МГц представлено на
рисунке 2.6. Перед передачей сигнала подтверждения прослушивания канала не
требуется. Максимальное время передачи должно составлять 1 с при длительности
обмена не более 4 с. Даже в случае односторонней передачи метод LBT все равно предполагает наличие
приемопередатчика. Приемопередатчик CC1100 обладает важными свойствами, которые предлагают не совсем простую,
но в то же время экономически эффективную разработку. Мощные цифровые функции
позволяют совмещать приемопередатчик с самым простым микроконтроллером.
Рисунок 2.5- Распределение частот в диапазоне 868 МГц (EN 300 220 V1.3.1)
Рисунок 2.6- Распределение частот в диапазоне 868 МГц (EN 300 220 V2.1.1)
Благодаря низкому потребляемому току, который составляет 28,8 мА в режиме
передачи при уровне выходной мощности +10 дБм, 15,6 мА в режиме приема и всего
400 нА в режиме выключения питания, приемопередатчик CC1100 может применяться в устройствах с автономным питанием.
Кроме того, наличие форсированного режима передачи с высокой скоростью передачи
данных по эфиру снижает общую потребляемую мощность. Автоматический дежурный
режим приема с использованием перевода в рабочее состояние по факту обнаружения
радиосигнала требует всего 1,8 мкА. Скорости передачи программируются в
диапазоне от 1,2 кБит/с до 500 кБит/с, при этом чувствительность при скорости
1,2 кБит/с составляет -110 дБм. На рисунке 2.2.7 показано, что приемопередатчик
CC1100 включает обработчик пакетов,
который автоматически создает заголовок, вставляет или определяет слово
синхронизации, проверяет адрес и осуществляет проверку целосности данных. Длина
пакета может определяться пользователем. Приемопередатчик CC1100 по выводам и регистрам совместим
с аналогичным приемопередатчиком на частоту 2,4 ГГц CC2500. Это намного облегчает разработку различных исполнений
одного и того же прибора - одно для работы на частоте ниже 1 ГГц, другое для
функционирования на частоте 2,4 ГГц.
Рисунок
2.7- Структурная схема CC1100
Рисунок 2.8- Структурная схема беспроводного детектора дыма
В недалеком прошлом множество устройств измерения или обеспечения
безопасности были основаны на применении аналоговой схемотехники. Сегодня
наблюдается стремление все больше и больше использовать микроконтроллеры.
Основным преимуществом подобных устройств является гибкость, недостижимая при
применении устройств с жестко заданным набором функций. Семейство
микроконтроллеров с ультранизким потреблением MSP430 компании Texas Instruments
подходит для применения в интеллектуальных измерительных устройствах и
устройствах обеспечения безопасности, благодаря широкому набору аналоговой
периферии с одной стороны, и ультранизкой мощности потребления с другой
стороны. Гибкая система синхронизации позволяет программно изменять тактовую
частоту (максимум до 16 МГц) и предоставляет различные режимы пониженного
энергопотребления, время перехода из которых составляет меньше 1 мкс (для MSP430F2xx, у других
моделей не более 6 мкс). Эти микроконтроллеры также подходят для совместной
работы с семейством беспроводных приборов Chipcon компании Texas Instruments, так
как беспроводные компоненты имеют точно такой же диапазон напряжений питания и
обладают очень низкой потребляемой мощностью.
Например, ИК-датчик движения очень просто реализовать на MSP430 со встроенным 16-ти разрядным
сигма-дельта АЦП благодаря наличию усилителя с программируемым коэффициентом
усиления. Поэтому нет необходимости во внешнем каскаде усиления. Следовательно,
даже беспроводной датчик движения содержит всего два корпуса микросхем с
минимальным количеством внешних элементов. Еще одним преимуществом является
исключительно низкая потребляемая мощность, которая для данного устройства
составляет в среднем менее 10 мкА. Дополнительная информация находится на
интернет-сайте компании TI в
рекомендациях по применению. Радиочастотные приемопередатчики Chipcon управляются по простому интерфейсу SPI, который легко реализовать во всех
микроконтроллерах семейства MSP430.
Другим примером применения может служить усовершенствованный датчик дыма.
Большинство сигнализаторов дыма основано на использовании оптической камеры.
При попадании дыма в камеру свет светодиода рассеивается и попадает на
фотодиод, вырабатывающий выходной ток. Обычно этот ток преобразуется в
напряжение с помощью усилителя с токовым входом, состоящего из одного или двух
операционных усилителей.
Исходя из всего сказанного видно, что датчики на основе микроконтроллеров
содержат достаточно большое количество компонентов. Для достижения экономически
эффективных решений, использующих минимальное количество внешних элементов,
недавно был создан микроконтроллер MSP430F22x4, включающий два внутренних операционных усилителя (ОУ). Эти
ОУ можно программно подключить к АЦП (в режиме универсального, инвертирующего,
неинвертирующего, компаратора, повторителя или дифференциального усилителя) или
к внешнему выводу для использования ОУ как внешних компонентов. Рисунок 2.8
демонстрирует применение MSP430F22x4 в усовершенствованном беспроводном детекторе дыма. При
использовании режимов пониженного потребления MSP430 нет необходимости использовать кварцевый
резонатор.
Кроме более низкой стоимости и повышенной надежности, потребление в
режиме ожидания составляет меньше 0,7 мкА. При приеме данных в момент
нахождения MSP430 в режиме ожидания и даже в режиме
отключения, биты не теряются, так как выход из режима пониженного потребления
составляет меньше 1 мкс.
Для того, чтобы начать разработку аппаратной части радиоканала,
необходимо скопировать исходный проект CC1100EM. В
исходном проекте для бесплатного скачивания с сайта TI используется двухслойная печатная плата. Электрическая
принципиальная схема и разводка печатной платы должны быть полностью повторены
для обеспечения хорошей работы ВЧ-тракта. Особое значение имеет выбор элементов
и топология соединения микросхемы ВЧ-тракта с антенной. Топология и значения
элементов были тщательно выбраны и смоделированы для подтверждения хорошего
согласования импеданса микросхемы с волновым сопротивлением антенны («блок
согласования»), а также для корректного преобразования симметричного выхода
микросхемы ВЧ тракта с несимметричной антенной («симметрирующий блок»).
Развязывающие конденсаторы должны располагаться рядом с микросхемой ВЧ тракта.
В разделе экономичных беспроводных устройств интернет-сайта TI находится несколько статей по
разработке.
Разработка программного обеспечения должна начинаться с создания связи
между MSP430 и приемопередатчиком Chipcon по интерфейсу SPI. Можно использовать преимущества
библиотеки уровня аппаратной абстракции (HAL), доступной на интернет-сайте TI. Для приема и передачи пакетов
данный модуль поддерживает функции аппаратного интерфейса низкого уровня (АЦП,
таймер, SPI). Его можно использовать для всех
существующих микроконтроллеров семейства MSP430 независимо от используемого интерфейса связи.
Модуль поддерживает функции чтения и записи регистров (MSP430 совместно с CC1100 или CC2500)
и содержит демонстрационный проект применения.
Разработав аппаратную конфигурацию и реализовав связь микроконтроллера и
приемопередатчика, необходимо определить правильные значения регистров для
установки радиоканала в исходное состояние. Для этого предназначен бесплатный
пакет программного обеспечения Texas Instruments,
имеющий название SmartRF
Studio. В нем генерируется необходимая
информация для конфигурации всех микросхем радиоканала Chipcon. Кроме того вычисляются значения внешних пассивных
элементов. SmartRF Studio имеет возможность автоматического создания кода,
позволяющая разработчику напрямую вставлять программные блоки на языке C в свои проекты. При использовании SmartRF Studio совместно с аппаратным обеспечением SmartRF 04EB и CC1100EM, можно управлять оценочными модулями
(EM, например CC1100EM) с
помощью ПК для выполнения простых проверок функционирования. [9]
Следует отметить, что приемный модуль, осуществляющий все перечисленные
контрольные функции, является простым и компактным устройством. Его стоимость,
по сравнению со стоимостью существующих системам контроля, значительно меньше;
при этом диспетчерский пульт имеет возможность автоматическом режиме
контролировать и документировать состояние всех элементов системы. Такие
преимущества достигаются введением в каждый датчик дыма микроконтроллера с
радиоканалом, отвечающего за мониторинг как самого датчика, так и пожарной
обстановки в охраняемой зоне. Введение этих компонентов приводит к удорожанию
датчика дыма приблизительно на 50% по сравнению с ценой извещателя, на
основе которого он создан. Учитывая непрерывное удешевление радиочастотных
компонентов, следует ожидать снижения стоимости радиодатчиков в ближайшее
время.
3. Расчетная часть
3.1 Организация пожарной безопасности
Для построений беспроводной системы пожарной безопасности используются
модули Zigbee и беспроводные датчики дыма. В своей
работе проектирую сеть между приемным контроллером и датчиками дыма в небольшом
помещении, размерами современного офиса. В данной сети используется стандартный
готовый набор для наладки сети XBeeTM zNet 2.5 ZigBee Development Kit компании MaxStream.
Особенности
− Построение сети из 5 узлов с Mesh-топологией за 10 минут
− 5 ZigBee
модулей с разными типами антенн
− Интерфейсы RS-232
и USB для подключения к ПК
− Сетевое и батарейное питание переходных плат
− Дополнительные кнопки и светодиоды индикаци
ZigBee-модули
XBee Series 2 являются отличным решением для построения сети
беспроводных датчиков или системы AСКУЭ. Создание рабочей сети возможна при минимальных затратах времени на
изучение стека протоколов ZigBee.
Комплект разработчика XBeeTM ZNet 2.5 ZigBee Development Kit позволяет тестировать сети ZigBee топологии MESH («каждый с каждым»). Комплект состоит из 5 модулей XBee Series 2 и 5 переходных плат с интерфейсами RS-232 и USB. Программное обеспечение X-CTU для ПК
позволяет разработчику легко тестировать и конфигурировать модуль, обнаруживать
узлы и производить мониторинг ZigBee-сети.
Программа X-CTU позволяет также выполнить тест дальности связи,
отображая силу принимаемого сигнала в цифровом и графическом виде. Комплект
разработчика может также использоваться для обновления внутренней прошивки
модулей. Подавляющее большинство настроек модулей, входящих в состав
отладочного комплекта, уже выполнено для простого запуска ZigBee-сети. В качестве датчиков дыма
берутся беспроводные датчики с радиомодулем.
Рисунок 3.1- Беспроводной датчик дыма
Беспроводной фотоэлектрический датчик дыма. Реагирует на видимые частицы
продуктов горения. Если концентрация дыма превышает пороговый уровень, датчик
передает сигнал пожарной тревоги на центральную панель и включает встроенную
сирену. Небольшая работа специалистов по внедрению модулей zigbee в схемы датчиков займет небольшое
время.
Рисунок 3.2- Система пожарной безопасности в помещении
Мною рассматриваемое помещение имеет общую площадь 502м2. В
данной площади я размещаю 5 датчиков дыма и контрольный модуль для ведения
мониторинга сети. Оконечное устройство в виде встроенного модуля в датчике дыма
передает информации в определенном интервале времени координатору. Координатор в
свою очередь ведет мониторинг сети и передает полученные сведения серверному
компьютеру посредством подключения через USB порт. Все данные полученные с датчиков обрабатываются
в серверном компьютере, который в свою очередь ведет отчетность, сохраняя вносимые
данные устройств. Серверный компьютер в свою очередь передает сигнал тревоги в
случае признаков пожара охранным или пожарным службам через интернет или GSM модуль.
Условные обозначения:
М- беспроводной датчик дыма с модулем zigbee; x -
порядковый номер.
БС - базовая станция (контрольный пункт приема данных).
В приложении Б представлен план помещения с указанными устройствами
3.2 Расчет зоны действия сигнала
Без вывода приведем формулу расчета дальности. Она берется из инженерной
формулы расчета потерь в свободном пространстве:
(3.1)
где
FSL (free space loss)
- потери в свободном пространстве (дБ);
F - центральная
частота канала на котором работает система связи (МГц); D -
расстояние между двумя точками (км).
FSL определяется
суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:
(3.2)
где
- мощность передатчика; 
- коэффициент усиления передающей антенны;
-
коэффициент усиления приемной антенны;
-
реальная чувствительность приемника;
- потери
сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта;
- потери
сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.
Таблица
3.1 - Технические характеристики модулей Xbee , XBee PRO
|
Параметры
|
XBee
|
XBee Pro
|
|
Радиус действия в
помещении, м
|
30-100
|
100-1000
|
|
Радиус действия в
пространстве, м
|
100
|
>1000
|
|
Выходная
мощность, мВт
|
1
|
100
|
|
Скорость
передачи, кбит/сек
|
250
|
|
Чувствительность
приемника, дБм
|
-92
|
-100
|
|
Ток потребления в
режиме приема, мА
|
45
|
270
|
|
Диапазон частот,
ГГц
|
2,4
|
|
Рабочая
температура
|
-40ºС …+85 ºС
|
|
Количество
каналов
|
16
|
13
|
вычисляется по формуле:
(3.3)
Где
SOM(System Operating margin)
- запас в энергетике радиосвязи (дБ).
Учитывает
возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:
− Температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности
передатчика; Всвозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;
Рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом;
Параметр SOM обычно берется
равным 10 дБ. Считается, что 10 дБ-ный запас по усилению достаточендля инженерного
расчета. Центральная
частота берется из таблицы 3.1.
Таблица 3.2 -
Вычисление центральной частоты
|
Канал
|
Центральная
частота (МГц)
|
|
1
|
2412
|
|
2
|
2417
|
|
3
|
2422
|
|
4
|
2427
|
|
5
|
2432
|
|
6
|
2437
|
|
7
|
2442
|
|
8
|
2447
|
|
9
|
2452
|
|
10
|
2457
|
|
11
|
2462
|
|
12
|
2467
|
|
13
|
2472
|
|
14
|
2484
|
Из таблицы 3.3 определяем потери при прохождения сигнала сквозь различные
преграды, препятствия в виде: окон, стен, дверей и т.д.
Таблица 3.3 - Затухание от среды распространения сигнала
|
Наименование
|
Ед.изм
|
Значение
|
|
Окно в кирпичной
стене
|
дБ
|
2
|
|
Стекло в металлической
раме
|
дБ
|
6
|
|
Офисная стена
|
дБ
|
6
|
|
Железная дверь в офисной
стене
|
дБ
|
7
|
|
Железная дверь в кирпичной
стене
|
дБ
|
12.4
|
|
Стекловолокно
|
дБ
|
0.5-1
|
|
Стекло
|
дБ
|
3-20
|
|
Дождь и туман
|
дБ/км
|
0.02-0.05
|
|
Деревья
|
дБ/м
|
0.35
|
|
Кабельная сборка
pigtale
|
дБ
|
0.5
|
|
Полосовой фильтр
NCS F24xxx
|
дБ
|
1.5
|
|
Коаксиальный
кабель
|
дБ/м
|
0.3
|
|
Разьем N-type
|
дБ
|
0.75
|
|
Инжектор питания
|
дБ
|
0.5
|
Упростив предыдущие формулы, мы получаем в итоге формулу дальности:
(3.4)
Решение:
Использование
модуля XBee PRO Вычисляем параметр FSL :
= 
=0
Так
как в указанном помещении имеются препятствия для прямой видимости и передачи
сигнала, следует учесть потери вызванные различными преградами. В данном случае
связи между координатором и самым отдаленном датчиком (М3) имеются 2 окна и 3
офисных стен. Следовательно их ослабление в соответствии с таблицей 3.2:
xLокно=4
xLофис.стена.=18
Из
уравнения (3.2) следует, что суммарное усиление системы равно:
В
случае когда SOM=10, то потери в свободном пространстве из уравнения
(3.3) равны:
Отсюда
в итоге получаем дальность из уравнения (3.4):
Решение:
Использование
модуля XBee Вычисляем параметр FSL :
= =0
Так
как в указанном помещении имеются препятствия для прямой видимости и передачи
сигнала, следует учесть потери вызванные различными преградами. В данном случае
связи между координатором и самым отдаленном датчиком (М3) имеются 2 окна и 3
офисных стен. Следовательно их ослабление в соответствии с таблицей 3.2:
xLокно=4
xLофис.стена.=18,
Из
уравнения (3.1.2) следует, что суммарное усиление системы равно:
В
случае когда SOM=10, то потери в свободном пространствеиз уравнения
(3.3) равны:
3.2 Расчёт шумов
Для любой передачи данных справедливо утверждение, что полученный сигнал
состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями,
которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных
нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время ее
распространения от точки передачи к точке приема. Эти нежелательные сигналы
принято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим
производительность систем связи.
Шумы можно разделить на четыре категории:
- тепловой шум;
- интермодуляционные шумы;
- перекрестные помехи;
- импульсные помехи.
Тепловой шум является результатом теплового движения электронов. Данный
тип помех оказывает влияние на все электрические приборы, а также на среду
передачи электромагнитных сигналов. Тепловой шум является функцией температуры
и равномерно распределен по спектру частот, поэтому данный тип шума называют
также белым шумом. Тепловой шум устранить нельзя, поэтому именно он определяет
верхний предел производительности систем связи. Тепловой шум оказывает
значительное влияние на спутниковые системы связи, поскольку сигнал, получаемый
наземной станцией от спутника, достаточно слаб.
Тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства
или проводника составляет
(3.5)
Здесь
- плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы;
-
постоянная Больцмана, 
;
-
температура в Кельвинах (абсолютная температура).
Считается,
что шум не зависит от частоты. Следовательно, тепловой шум, присутствовавший в
полосе диапазона B Гц, можно выразить следующим образом:
(3.6)
Запишем
данное выражение, используя децибел-ватты:
(3.7)
Ширину
канала Zigbee примем равной 5 МГц, остда по формуле (3.7):
= -137 (Вт/Гц)
Если
сигналы разной частоты передаются в одной среде, может иметь место
интермодуляционный шум. Интермодуляционным шумом являются помеха, возникающие
на частотах, которые представляют собой сумму, разность или произведение частот
двух исходных сигналов. Например, смешивание двух сигналов, передаваемых на
частотах 
и 
соответственно,
может привести к передаче энергии на частоте 
. При
этом данный паразитный сигнал может интерферировать с сигналом связи,
передаваемым на частоте .
Интермодуляционный
шум возникает вследствие нелинейности приемника, передатчика или же
промежуточной системы передачи. Как правило, все указанные компоненты ведут
себя как линейные системы, т.е. их выходная мощность равна входной мощности, умноженной
на некоторую константу. Для нелинейных систем выходная мощность является более
сложной функцией входной мощности. Нелинейность может быть вызвана
неисправностью одной из деталей, использованием сигнала чрезмерной мощности или
же просто природой используемого усилителя. Для указанных случаев помехи
возникают на частотах, являющихся суммой или разностью частот исходных
сигналов.
С
перекрёстными помехами сталкивался каждый, кто во время использования телефона
переменно слышал разговор посторонних людей. Данный тип помех возникает
вследствие нежелательного объединения трактов передачи сигналов. Такое
объединение может быть вызвано сцеплением близко расположенных витых пар, по
которым передаются множественные сигналы. Перекрестные помехи могут возникать
во время приема посторонних сигналов антеннами СВЧ-диапазона. Несмотря на то
что для указанного типа связи используют высокоточные направленные антенны,
потерь мощности сигнала во время распространения избежать все же невозможно.
Как правило, мощность перекрёстных помех равна по порядку (или ниже) мощности
теплового шума. Все указанные выше типы помех являются предсказуемыми и
характеризуются относительно постоянным уровнем мощности. Таким образом, вполне
возможно спроектировать систему передачи сигнала, которая была бы устойчивой к
указанным помехам.
Однако кроме вышеперечисленных типов помех существуют так называемые
импульсные помехи, которые по своей природе являются прерывистыми и состоят из
нерегулярных импульсов или кратковременных шумовых пакетов с относительно
высокой амплитудой. Причин возникновения импульсных помех может быть множество,
в том числе внешние электромагнитные воздействия (например, молнии) или дефекты
(поломки) самой системы связи.
3.3 Расчет линии потерь
Многочисленные исследования характеристик маломощных
беспроводных каналов связи показали, что в реальных системах качество связи
значительно колеблется. Кроме того, соединение между узлами ассиметричны, т.е.
вероятность успешного приема от передатчика к приемнику не равна вероятности
успешной передачи в обратном направлении.
В большинстве практических приложений сети Zigbee эксплуатируются внутри помещения, а
не на открытом пространстве в условиях прямой видимости между узлами. В моей
работе сеть Zigbee реализована в офисном помещении с
площадью 504 м2. Для определения распространения сигнала внутри
помещения используется формула определения распределения потерь в тракте:
(3.8)
где
PtдБ - мощность сигнала передающей антенны;
РrдБ - мощность сигнала,
поступающего на антенну приемника;
λ - длина волны несущей;
d - расстояние,
пройденное сигналом между двумя антеннами;
GtдБ - коэффициент усиления передающей антенны;
GrдБ - коэффициент усиления антенны приемника.
Для
вычисления ослабления того же значения в открытом помещении в децибелах следует
взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить
полученный результат на 10.[1]
(3.9)
Модель
логарифмически-нормального распределения потерь в тракте:
(3.10)
PtдБ= 100 м Вт (20 дБмВт), GtдБ=1, GrдБ=1 , λ=0,125 м, d=100 м, следовательно по формуле
3.3.2 рассчитаем мощность сигнала,поступающего на антенну приемника:
Вт=4,3·10-9
мВт
дБмВт
Модель
логарифмически-нормального распределения потерь в тракте с учетом ослаблений за
счет препятствий:
(3.11)
где
-
затухание на эталонном расстоянии;
- нулевая
гауссовая случайная величина в децибелах стандартным отклонением, значения
взяты с интернет сайта;[11]
-
расстояние между передатчиком и приемным модулем (1200м в свободном
пространстве);
-эталонное
расстояние между передатчиком и приемным модулем (100м в помещении);
-
показатель степени потерь в тракте(среднее значение для офисных помещений n= 3
с отклонением в 7дБ);
Из
уравнений выше можно выразить:
(3.12)
где
- частота модуля равная - 2400 МГц; расстояние между
модулями внутри помещения допустимо 100 м, Х- значение см. в таб.3.2.
Подставляя
данные получаю следующие значения:
Так
как в моей работе используется небольшое офисное помещение, я не нуждаюсь в
расчете распространения и ослабления сигнала при прохождении сквозь препятствия
в виде этажей. При расчете высотных зданий используется следующая формула
расчета модель ослабления сигнала с учетом препятствий.
(3.13)
где
- экспонента величины линии потерь для одинаковых
размеров преград (этажей);
- (Floor Attenuation factor) коэффициент затухания
препятствий в виде этажей; [11]
Рисунок 3.3 - Программирование на языке Delphi 7
4. Безопасность жизнедеятельности
.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов
В дипломном проекте рассматривается проектирование сети противопожарной системы с
использованием беспроводной технологии ZigBee. Для реализации данной задачи используются
аппаратно-программный комплекс, оборудования, предназначенные для обслуживания
и эксплуатации проектируемой сети.
Факторы производственной среды оказывают существенное влияние на
функциональное состояние и работоспособность оператора. Существует разделение
производственных факторов на опасные и вредные.
Опасные и вредные производственные факторы подразделяются по природе
действия на следующие группы:
1
физические;
2
химические;
3
биологические;
4
психофизические.
Первые три группы включают воздействия, оказываемые производственной
техникой и рабочей средой. Психофизиологические факторы характеризуют изменения
состояния человека под влиянием тяжести и напряженности труда. Включение их в
систему факторов производственной опасности обусловлено тем, что чрезмерные
трудовые нагрузки в итоге могут также привести к заболеваниям.
Рассматриваемое в дипломном проекте офисное помещение прямоугольной
формы, размерами: длина - 8 метров, ширина - 6 метров, высота - 3 метра. Данное
помещение рассчитано на 3 сидячих рабочих места, в качестве средств труда
используется оргтехника (3 компьютера и универсальное средство от фирмы Hewlett Packard: принтер-сканер-ксерокс).
Рисунок 4.1 - Внутреннее расположение объектов в офисе 1 - оргтехника; 2
- устройство кондиционирования.
4.2 Расчет освещения
Освещение в помещении комбинированное (естественное и искусственное).
Производственное освещение нормируется по СНиП-II - 4-79 в зависимости от
разряда зрительной работы.
Естественное освещение является боковым. Три окна размером 2х1,8 метра.
Величина коэффициента естественной освещенности (к. е. о.) при выполнении работ
средней зрительной точности должна быть не ниже 1,2%. Искусственное освещение
осуществляется в виде общей системы освещения с использованием люминесцентных
источников света.
Пульсация освещенности используемых люминесцентных ламп не превышает 10%.
В качестве средств затемнения используются регулируемые жалюзи с белыми вертикальными
шёлковыми ламелями. Окна размещены с одной стороны рабочих помещений. Ниже
приведён расчёт комбинированного освещения для данного офиса.
Главной задачей современной светотехники является обеспечение комфортной
световой среды для труда (согласно СНиП II - 4 - 79), а также повышение эффективности и масштаба
применения света в технологических процессах на основе рационального
использования электрической энергии, расходуемой в светотехнических установках
и снижения затрат на их создание и эксплуатацию. Условия искусственного
освещения на предприятиях оказывают большое влияние на зрительную
работоспособность, физическое и моральное состояние людей, а следовательно, на
производительность труда. Метод коэффициента использования. Рассчитаем общее
освещение для офисного помещения длинной А = 8 м, шириной В = 6 м, высотой Н =
3 м с белым подвесным потолком, побеленными стенами и с окнами с открытыми
жалюзи. Нормируемую освещённость выбираем для зрительной работы средней
точности, она равна Е = 200 лк таблица 1.2 (2). Принимаем систему общего
освещения люминесцентными лампами ЛД мощностью 40 Вт, со световым потоком ФЛ
= 2340 лм, диаметром 40 мм, длинной 1,2 метра таблица 2.2 (2). Светильники типа
ЛВО01, встраиваемые в подвесные потолки. Коэффициенты отражения потолка, стен,
пола - rпот = 70%, rст = 50%, rпол = 30%. Расчётная высота подвеса -
рабочая поверхность находится на высоте hрт= 1,2 метра от пола, высота свеса ламп - hсл = 0 метров, следовательно:
(4.1)
Наивыгоднейшее
расстояние между светильниками определяется как (l= 1,2 ÷ 1,4):
(4.2)
Найдем
расстояние от стены до ближайшего светильника:
(4.3)
При ширине зала В= 6 м имеем число рядов светильников:
(4.3)
(4.4)
Определяем индекс помещения:
(4.5)
м
Тогда коэффициент использования:
(2)
Коэффициент
запаса для учебных помещений, лабораторий, конструкторских бюро из таблицы 1.10
(2): 
Необходимое
количество светильников:
(4.6)
Где
Е - заданная минимальная освещенность;
Кз
- коэффициент запаса;
S - освещаемая
площадь;
Z - коэффициэнт
неравномерности освещения (Z=1.1
1.2);
n - количество ламп в светильнике;
Фл - световой поток лампы.
При
длине одного светильника типа ЛВО01 с лампами ЛД-40 
, их общая длина составит:
м
Таким образом размещаем в один ряд два светильника с расстоянием между ними
2,4 метра. Всего для создания нормируемой освещённости 200 лк необходимо 4
лампы ЛД мощностью 40 Вт:
Рисунок 4.2 - Расположение светильников. Размеры в м.
.3 Расчет кондиционирования воздуха
В офисном помещении размером 8х6х3 метра объемом 144 м3 работает 4
человека. Т. о. в помещение должен подаваться следующий объем наружного
воздуха: при кубатуре помещения до 30 м3 на одного работающего - не менее 20
м3/ч на человека. Воздух, поступающий в офисное помещение, очищен от
загрязнений, в том числе от пыли и микроорганизмов.
Контроль состояния микроклимата в производственных помещениях позволяет
поддерживать условия труда, близкие к оптимальным, что увеличивает
производительность и комфортность труда, снижает заболевание работающих.
Поскольку в офисе для сотрудников основной является работа за компьютером, то
тяжесть работ, производимых в помещении можно отнести к средней.
Таблица 4.1 - Нормы микроклимата производственных помещений при
выполнении работ средней тяжести
|
Период Года
|
Температура С°
|
Оптимальная
влажность, %
|
Скорость движения воздуха,
м/с
|
|
Оптим.
|
Допуст.
|
Оптим.
|
Допуст.
|
Оптим.
|
Допуст.
|
|
Холодный период
года
|
18-20
|
17-23
|
40-60
|
75
|
0,2
|
Не более 0,1
|
|
Теплый период
года
|
21-23
|
18-27
|
40-60
|
65 при 26 С
|
0,3
|
0,2-0,4
|
Оптимальный микроклимат в помещении поддерживается при помощи системы
кондиционирования. Ниже приведён подробный расчёт системы обеспечения
оптимального микроклимата с выбором конкретного оборудования.
При расчёте системы кондиционирования нужно исходить из необходимости
удаления из производственного помещения всех вредных факторов, т. е. избытков
тепла, влаги, паров, газов и пыли.
Теплопоступления и теплопотери в результате разности температур.
Количество тепла, поступающего в помещение в результате разности
температур определяется по формуле:
(4.7)
где
Vпом =
8х6х3 = 144 м3 - объём помещения;
Х0
= 0,42 Вт/м3°С - удельная
тепловая характеристика;
tНрасч = 27,6 ° - расчётная
наружная темп-ра для тёплого периода года;
tНрасч = -10 ° - расчётная
наружная темп-ра для холодного периода года ;
tВрасч = 22 ° - расчётная
внутренняя темп-ра для тёплого периода года;
tВрасч = 19 ° - расчётная
внутренняя темп-ра для холодного периода года.
Тогда
теплопоступление для тёплого периода года составят:
А
теплопотери для холодного периода года составят:
Теплопоступление
от солнечного излучения через остекление.
Избыточная
теплота солнечного излучения в зависимости от типа стекла почти до 90%
поглощается средой помещения, остальная часть отражается. Максимальная тепловая
нагрузка достигается при максимальном уровне излучения, которое имеет прямую и
рассеянную составляющие. Интенсивность излучения зависит от широты местности,
времени года, времени суток.
Площадь
ленточного остекления офиса (3 окна - 2 х 1.8 метра, направление на север «С»):
Коэффициент
теплопропускания для открытых жалюзи:
Для
направления на север «С» до полудня, т. е. с начала занятости с 9 до 12 часов
при широте 44° с. ш. (г. Алматы) значение прямой радиации (П):
(4.8)
а
рассеянной радиации (Р):
(4.9)
После
полудня для направления на север «С», начиная с 12-13 часов:
(4.10)
В
диапазоне широт 44-68° с. ш. для двойного
остекления в металлических переплётах для всего рабочего дня коэффициент,
учитывающий затемнение световых проёмов:
поскольку
проём с ориентацией на север затемнён в течение всего рабочего дня.
Коэффициент,
учитывающий умеренное загрязнение остекления:
Теплопоступление
в период от 9 до 14 часов определим по формуле:
(4.11)
Теплопоступление
в период от 14 до 20 часов:
Примем
за максимальный расчётный час 9-10 часов, когда теплопоступление от солнечной
радиации составляет 107.3 Вт.
Теплопоступление
от людей.
Поступление
тепла от людей зависит от интенсивности выполняемой работы и параметров
окружающего воздуха. Тепло, выделяемое человеком складывается из ощутимого
(явного), т. е. передаваемого в воздух помещения путём конвекции и
лучеиспускания, и скрытого тепла, затрачиваемого на испарение влаги с
поверхности кожи и из лёгких.
В
офисе при температуре 23° находится
одновременно 4 еловека Один человек при температуре 23° в положении сидя выделяет явного тепла 67 Вт .
Выделение
явного тепла людьми в офисе составит:
(Вт)
Теплопоступление
от осветительных приборов и оргтехники.
Теплопоступление
от ламп определяется по формуле:
(4.12)
Коэффициент
перехода электрической энергии в тепловую для люминесцентных ламп:
Установленная мощность ламп:
Площадь пола:
Тогда:
Теплопритоки,
возникающие за счёт находящейся в офисе оргтехники, в среднем составляют 300 Вт
на один компьютер, т. е.:
(Вт)
Тогда
общий баланс теплопоступлений определяется формулой:
(4.13)
И
равен для тёплого периода года:
Для
холодного периода года:
4.4 Выбор кондиционера
Исходя из общего максимального теплопоступления (теплопоступления
максимальны в тёплый период года) для рассматриваемого помещения, модель
кондиционера выбираем из типового ряда по ближайшему (с учётом запаса) значению
холодопроизводительности.
Для обеспечения круглогодичной работы кондиционера выберем оборудование
фирмы DELONGHI, т. к. кондиционеры этой фирмы
эффективно работают в режиме «теплового насоса» в холодное время года.
Кондиционер серии СР фирмы DELONGHI (Италия), 230/1/50.
Таблица 4.2 - Технические характеристики настенного кондиционера фирмы Delondhi
СР 40
|
|
Эл. питание, В/ф/Гц
|
230/1/50
|
|
Производительность по
холоду, Вт
|
5 073
|
|
Потребляемая эл. мощность,
Вт
|
1 603
|
|
Потребляемый ток, А
|
6,9
|
|
Удаление влаги (max),
л/4
|
2,2
|
|
Производительность по
теплу, Вт
|
5 542
|
|
Внутренний блок
|
|
Расход воздуха (max),
м3/ч
|
640
|
|
Размеры;м: - длина -высота
-глубина
|
967 300 195
|
|
Внешний блок
|
|
Расход воздуха (max),
м3/ч
|
2 200
|
|
Размеры;м: - длина -высота
-глубина
|
800 640 280
|
Ряд технических решений, реализованных в конструкции кондиционеров DELONGHI, обеспечивает работу при низких
температурах наружного воздуха (до tн = - 20 °С).
5. Технико-экономическое
обоснование
5.1 Сущность проекта
Бурный рост микропроцессорных технологий, постоянное снижение стоимости
беспроводных решений и повышение их эксплуатационных параметров позволяют
отказаться от проводов и проводных сетей в системах контроля, диагностики и
обмена информацией. Беспроводные сети отличаются более гибкой архитектурой,
требуют меньших затрат при их установке и обслуживании. Важным аспектом
является стандартизация протокола передачи данных, что делает измерительную
систему открытой и совместимой с изделиями других производителей. В настоящее
время одной из актуальных задач для систем промышленной телеметрии и домашней
автоматизации остается вопрос передачи данных на небольшие расстояния. Нередко
разработчики подобных систем сталкиваются с такими требованиями как
необходимость обеспечить мобильность диагностируемого оборудования и сократить
расходы на монтаж. На помощь им приходит новая технология беспроводной передачи
данных ZigBee, которая, главным образом,
предназначена для организации связи между автономными приборами и клиентским
оборудованием.
Спецификация ZigBee позволяет
реализовывать беспроводное сетевое решение, основанное на едином глобальном
стандарте 802.15.4, с поддержкой скоростей передачи до 250 Кбит/с, крайне
низким энергопотреблением, обеспечивающее защиту информации и надежность
системы.
Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, таким
образом обслуживая очень большое число узлов и увеличивая дальность связи без
дополнительных затрат на усилители мощности. Технология ZigBee не предназначена для передачи
больших объемов информации, как Wi-Fi или Bluetooth. Однако для передачи, например,
показаний датчиков, объем которы редко превышает десятков байт, не требуется
высоких скоростей - в этом случае обязательны высокие показатели по
энергопотреблению, цене и надежности.
Спецификация ZigBee разработана
для создания дешевых беспроводных сетей с низким энергопотреблением
используемых для передачи небольших объемов данных. Областями применения таких
сетей являются:
. Автоматизация коммерческих зданий, где технология ZigBee используется для связи датчиков
температуры, влажности, освещения, вентиляции и т.д.
. Системы промышленного контроля, автоматизация производственных
процессов.
. Домашняя автоматизация и системы “Умный Дом”.
. Для охранных и противопожарных систем.
ZigBee
- отличный пример реализации промышленного беспроводного стандарта, расширяющий
и упрощающий нашу жизнь и работу.
Целью данной работы является рассмотреть возможность
применение беспроводной технологии Zigbee для противопожарных системах
безопасности в помещениях.
Поскольку работа заключает в себе в основном теоретический расчет,
необходимо рассчитать затраты на разработку системы: рассчитать стоимость
комплектующих материалов, транспортные услуги, наладку сети и т. д. Для этого
необходимо составить технико-экономическое обоснование работы в соответствии с
утвержденной темой.
пожарный
безопасность беспроводной кондиционирование
5.2 Производственный план
На данном этапе определяются необходимые объемы основных производственных
фондов, трудовых ресурсов и финансовых средств для внедрения системы.
Для того чтобы ввести систему в эксплуатацию надо выполнить ряд работ. В
первую очередь надо провести расчет системы. Далее учитывая полученные данные
по расчету, следует приобрести необходимое оборудование, установить его и
провести ряд экспериментов, подтверждающих работоспособность и надежность
системы. После этого проект можно вводить в эксплуатацию
Таблица 5.1 - Этапы организации сети
|
№ этапа
|
Наименование
этапов
|
Период
выполнения, мес.
|
|
11
|
Разработка
проекта
|
0,3
|
|
22
|
Разработка
технической документации
|
0,3
|
|
43
|
Обзор и выбор
оборудования
|
0,1
|
|
54
|
Поставка
оборудования
|
0,9
|
|
65
|
Монтаж, установка, наладка
и тестирование оборудования
|
0,5
|
|
76
|
Тестирование
системы в целом
|
0,3
|
|
87
|
Ввод в
эксплуатацию
|
0,3
|
|
Итого:
|
3,2
|
5.3 Расчёт инвестиционных затрат
Построение противопожарной системы с использованием беспроводной
технологии требует инвестиций, которые в первую очередь будут направлены на
приобретение зарубежного оборудования. Данная система не является новшеством и
не предлагает кардинальных изменений в общий принцип пожарной безопасности, она
лишь модернизирует существующую системы, дополняя беспроводными модулями Zigbee. Техническое обслуживание и мониторинг
сети будут проводить местные кадры. Для организации данной системы закупается
оборудование, на общую сумму 180745 тг. (таблицы5.2 и 5.3).
Перечень аппаратного и программного обеспечения, необходимого для
разработки устройства, и их стоимость представлены в таблицах 5.2 и 5.3.
Таблица 5.2 - Оборудование мониторинга сети
|
Наименование
|
Характеристика
|
Цена в тенге
|
Источник информации
|
|
1 Cистемный блок
|
DualCore 2.5/
2048/ 500Gb/ DVD-RW
|
51000
|
Прайс-лист магазина RIV Union 02.06.09г.
|
|
2 Монитор
|
19’’ LG 1910S TFT 16 ms
|
21200
|
Еженедельник
«Альфа» 2.06.09г
|
|
3 Клавиатура
|
Logytech
Keyboard PS/2
|
753
|
Еженедельник
«Альфа» 02.06.09г
|
|
4 Мышь
|
Genius NetScroll
120 Optical Mouse USB
|
753
|
Еженедельник
«Альфа» 02.06.09г
|
|
5 Принтер
|
HP LaserJet P1005 A4
|
16900
|
Еженедельник
«Альфа» 02.06.09г
|
|
6 Модем
|
Billion BIPAC
5200S ADSL
|
7248
|
Еженедельник«Альфа» 02.06.09г
|
|
Итого:
|
|
97854
|
|
Таблица 5.3 - Оборудование для реализации сети
|
Наименование
|
Характеристика
|
Цена в тенге
|
Источник информации
|
|
1 Комплект оборудований Maxstream XBee Series 2 (XB24-BPDK PBF)
|
5 модулей XBee
Series 2 и 5 переходных плат с интерфейсами RS-232 и USB. Программное
обеспечение в комплекте
|
67691
|
Интеренет-магазин Rlocman.ru Поставщик -компания «Цифпровой Ангел» 02.06.09г.
|
|
2. Датчики
|
Беспроводные
датчики дыма, температуры, газа(5 шт)
|
15200
|
ТОО «KSAR
technology» 02.06.09
|
|
Итого:
|
|
82891
|
|
Капитальные вложения включают в себя стоимость оборудования, монтажных
работ и транспортных услуг. Для определения величины капитальных затрат
составляются сметы на приобретение оборудования.
Общие капитальные вложения рассчитываются по формуле:
К= Ко + Км + Ктр + ПР , где(5.1)
здесь, Ко - капитальные вложения на приобретение оборудования,
тенге;
Км - капитальные вложения на монтажные работы, тенге;
Ктр - капитальные вложения на транспортные расходы, тенге;
ПР - капитальные вложения на предпроектные работы (маркетинговая
деятельность, заработная плата сотрудников), тенге.
Затраты на монтажные работы по установке оборудования учитывают все виды
инсталляционных работ, включая установку модулей, настройка контроллеров и т.п.
Стоимость монтажа оборудования вычисляется из принятых норм как 5-10 % от
стоимости оборудования. Транспортные расходы учтены в соответствии с тарифами
на услуги почтовой службы «Казпочта». Так как оборудование с весом до 5 кг
везут из России, то стоимость услуги будет 6505 тенге.
Затраты на монтаж:
Км= 5% ∙ Ко;(5.2)
Км = 0,05∙ 180745= 9037 тг.,
Транспортные расходы: Ктр= 6505
К предпроектным работам отнесем затраты на создание документации и
инструкции оборудования и регистрацию необходимых документов.
Таблица 5.4 - Капитальные затраты на реализацию противопожарной системы.
|
Наименование
показателей
|
Значение
показателя, тенге
|
|
оборудование
|
180745
|
|
транспортировка
|
6505
|
|
монтаж
|
9037
|
|
предпроектные
работы
|
18074
|
|
всего
|
214361
|
Таким образом, для разработки противопожарной системы на небольших
объектах требуются капитальные вложения в размере 214,396 тг.
Заключение
Темой выпускной работы является использование беспроводной технологии
Zigbee в ЧС.
Целью данной работы являлось анализ взможности применения беспроводной
технологии Zigbee в системах противопожарной безопасности.
Несмотря на большой объем и актуальность проекта мне удалось выполнить
все выше поставленные задачи.
В работе произведён анализ систем связи, подбор и обоснование
используемой системы передачи данных, рассмотрены особенности схемы,
оборудование, а также топологии сети.
Была спроектирована пожарная система безопасности для помещения. В работе
произведены теоретический расчет энергопотребления, расчёт мощностей
передатчиков и потери в свободном пространстве, расчет зоны действия сигнала,
распространения сигнала внутри помещения. Разработана программа для расчёта
технических параметров на языке программирования Delphi.
В технико-экономическом обосновании проекта произведены расчеты
капитальных вложений для построения сети и покупки оборудования. В разделе
безопасности жизнедеятельности были произведены расчеты искусственного
освещения и кондиционирования в помещении.
Вопрос безопасности всегда является акутальным. Использование новых
технологий в этой области всегда вызывало особый интерес общества и служб
безопасности.
Жесткие требования для систем безопасности и развитие современных
информационных устройств доказывают актуальность применения данной технологии.
Список литературы
1. Д.Панфилов.
Введение в беспроводную технологию Zigbee стандарта 802.15.4 // Электронные компоненты. - №12. - 2004
. М.Соколов.
Программно-аппаратное обеспечение беспроводных сетей на основе техологии Zigbee/802.15.4 // Электронные компоненты.
- №12. - 2004
3. Е. Баранова. IEEE
802.15.4 и его программная надстройка ZigBee. - Интернет-журнал по
широкополосным сетям и мультимедийным технологиям;
<#"649676.files/image110.gif">