ОБ ОСНОВНЫХ АСПЕКТАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Павлова З.Х.¹, Балтин Р.Р.² , Краснов А.Н.³ , Майский Р.А.⁴

¹ Доктор технических наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет,

² Магистрант, Уфимский государственный нефтяной технический университет,

³ Кандидат технических наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет,

⁴ Кандидат технических наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет

ОБ ОСНОВНЫХ АСПЕКТАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Аннотация

Рассмотрены основные аспекты проектирования сетей параметрического мониторинга. Обоснована целесообразность выбора беспроводного способа информационного обмена для пространственно распределенных систем. В статье описываются энергоэкономные беспроводные технологии, обладающие наибольшей дальностью передачи. Описаны существующие методы расчета энергопотребления узла сети, позволяющие оценить ее автономность. Приведена формула расчета энергопотребления узла сети, улучшенная относительно предыдущих изысканий.

Ключевые слова: беспроводные технологии, мониторинг удаленных объектов, Bluetooth LE, ZigBee, расчет энергопотребления.

Pavlova Z.H.¹, Baltin R.R.² , Krasnov A.N.³ , Maisky R.A.⁴

¹ PhD in Engineering, Ufa State Petroleum Technological University,

² Master's student, Ufa State Petroleum Technological University,

³ PhD in Engineering, Ufa State Petroleum Technological University,

⁴ PhD in Engineering, Ufa State Petroleum Technological University

ABOUT THE MAIN ASPECTS OF DESIGN OF WIRELESS NETWORK PARAMETRIC MONITORING REMOTE OBJECTS

Abstract

Considered the main aspects of the design of parametric monitoring networks.  The appropriateness of the choice of method for wireless data exchange for spatially distributed systems is substantiated. The paper describes energy-saving wireless technology has the largest transmission distance. Described existing methods for calculating the energy consumption of the node, to assess its autonomy. Formula is given for calculating power consumption of the node, improved relative to the previous investigations.

Keywords: wireless technologies, monitoring of remote objects, Bluetooth LE, ZigBee, calculation of energy consumption.

Сетевая организация систем мониторинга технологических параметров  для пространственно распределенных объектов,  неизбежно сопряжена с рядом трудностей, связанных, главным образом, с  вопросами проектирования. На этапе проектирования зачастую одними из основных задач являются выбор технологии передачи информации и прогнозирование времени  автономной работы сетевых узлов.

Выбор способа информационного обмена возможен из двух больших групп технологий: проводные и беспроводные. С экономической точки зрения организация масштабной сети посредством беспроводных технологий с низким потреблением энергии предстает наиболее оптимальным вариантом ввиду, как минимум, двух причин: во-первых, исключается необходимость прокладки кабеля и трудоемких подготовительных работ, во-вторых, продолжительная автономность сети значительно упростит ее эксплуатацию и обслуживание. В настоящее время среди энергоемких беспроводных технологий, обладающих наибольшей дальностью, можно выделить  зарекомендовавшие себя Bluetooth LE и ZigBee.

Bluetooth LE (BLE, Bluetooth Low Energy) – представляет собой беспроводную технологию Bluetooth с низким энергопотреблением. Возможна организация устройств Bluetooth в сети с топологиями «точка-точка», «звезда» и ячеистая сеть (mesh) [1, С. 34]. Радиосвязь между устройствами осуществляется на частоте 2,4 ГГц. При построении сетей Bluetooth LE важно учитывать тот факт, что устройства BLE подразделяются на двухрежимные, совместимые с классическими Bluetooth устройствами, так и однорежимные, способные обмениваться информацией только с такими же BLE устройствами.

На данный момент применяются 3 стандарта Bluetooth LE, каждый их который представляет собой развитие предыдущего: BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2.  Развитие перечисленных стандартов касалось прежде всего таких параметров как скорость передачи данных (220 Кбит/с, 260 Кбит/с и 650 Кбит/с для BLE 4.0, 4.1 и 4.2 соответственно) [2], длина пакета данных (в BLE 4.2 длина передаваемого сообщения была расширена в 10 раз по сравнению со стандартом BLE 4.1), безопасность и надежность  передачи информации.

С эксплуатационной точки зрения можно выделить следующие особенности данной технологии:

– максимальный ток, потребляемый устройствами BLE составляет десятки mA (зависит от модели  и  характеристик линии связи), что во многих случаях позволяет им работать более года на одной батарейке типа «таблетка»;

– возможность передачи информации на расстояния более 100 метров (в частности широко используемые модули серии EZ-BLE компании Cypress Semiconductor способны передавать данные на расстояние до 400 м). В целом с помощью технических средств возможно организовать передачу между двумя устройствами на расстоянии в 1км и даже далее, однако создание информационной сети в таком масштабе, к сожалению, не возможно;

– максимальная скорость передачи данных составляет 650 Kбит/с (по стандарту  Bluetooth LE 4.2);

– используется алгоритм шифрования данных (AES 128);

– минимальное общее время передачи данных 3мс;

– достаточно высокая надежность передачи данных, определяемая использованием 24-битового избыточного циклического кода (CRC) и 32-разрядной проверки целостности сообщения;

– распространенность Bluetooth устройств.

ZigBee – технология организации сетей беспроводной передачи данных. Zigbee обеспечивает невысокое потребление энергии и передачу данных на частотах 2.4 ГГц (не лицензированная частота), 915МГц (Американский континент) и 868 МГц (Европа). Расстояние передачи варьируется в пределах 10-75 метров (для оборудования спецификации ZigBee PRO - несколько километров в условиях прямой видимости). Поддерживаются как простые топологии типа «дерево», «точка-точка», «звезда», так и ячеистая топология.

В настоящее время технология имеет 3 сетевые спецификации: ZigBee PRO,  ZigBee RF4CE, ZigBee IP. Спецификации ZigBee предусматривают описание уровня приложений APS, сетевого уровня NWK, а также регламентированных стандартом IEEE 802.15.4 уровней MAC, обеспечивающий управление доступом к среде, и PHY, представляющий собой физический уровень.

 ZigBee PRO  максимизирует все возможности  IEEE 802.15.4 а также обеспечивает поддержку сетей, состоящих более чем из 64000 устройств. Также ZigBee PRO  предлагает функцию Green Power для подключения устройств с автономным сверхнизким потреблением. Спецификация позволяет организовать ячеистые сети, а также сети с топологией «звезда». ZigBee PRO в первую очередь подходит для сетей с датчиками и исполнительными механизмами.

ZigBee RF4CE предназначен для устройств, которым в первую очередь требуется интерфейс для взаимодействия с человеком (клавиатуры, пульты дистанционного управления), и которые характеризуются пониженным энергопотреблением. С помощью RF4CE также можно организовывать сети типа «звезда» (точка-множество точек).

ZigBee IP представлет собой открытый  стандарт для IPv6, обеспечивающий подключение к интернету недорогих устройств с низким потреблением энергии.

Технология ZigBee примечательна следующим:

– возможна защита данных по AES 128;

– спецификация доступна сторонним разработчикам;

– скорость передачи данных варьируется в пределах 5-40 Кбит/с [3].

Производители беспроводных сетевых технологий нередко приводят ориентировочные  данные по  автономной работе сети, однако такая информация  может существенно варьироваться на практике в зависимости от аппаратной составляющей (узлов) сети. На сегодняшний день известны, как минимум, две формулы, позволяющие рассчитать энергопотребление узлов: формула, рассчитывающая энергию, потребляемую мотом за один цикл с заданным количеством запросов [4, С. 16] и формула расчета потребления энергии узлом сети за один цикл [5, С. 58].

Энергия, потребляемая мотом за один цикл с заданным количеством опросов определяется по [4, С.16] следующим образом:

где

i_i –ток, потребляемый мотом за 1 цикл;

τ – длительность цикла;

n – количество запросов за цикл;

t_mc –  время включения микроконтроллера;

t_t – время включения передатчика;

t_r – время включения приемника;

t_m – время измерения;

t_p – время ожидания сигнала приемником;

t_l – время прослушивания канала;

t_c – время обработки информации микроконтроллером;

i_s – ток, потребляемый в режиме сна;

i_mc – ток, потребляемый микроконтроллером;

i_t – ток, потребляемый передатчиком;

i_r – ток, потребляемый приемником;

i_adc – ток, потребляемый аналого-цифровым преобразователем;

R_adc –  количество символов результата измерения;

R_adr – количество символов адреса;

R_s – количество символов синхронизации;

R_ser – количество служебных символов;

R_crc – разрядность контрольной суммы;

C – скорость передачи информации.

Энергия, потребляемая узлом сети за один цикл [5, С.58], рассчитывается по  формуле:

где

E_slep – энергия, потребляемая узлом в фазе сна

E_MCU – энергия, потребляемая узлом во время работы микроконтроллера или вычислительного ядра приемопередатчика при его отсутствии;

E_rcv – энергия, потребляемая узлом во время приема;

E_trans – энергия, потребляемая узлом во время передачи;

E_ather – энергия, потребляемая узлом в других режимах (режим пробуждения и др.)

Несмотря на достойные подходы к математическому описанию энергопотребления узла сети, еще остается возможность его улучшения за счет привнесения прогностической составляющей и более полного отображения процесса приемопередачи  измерительной информации.

 Достичь вышесказанного удалось за счет включения в описание сетевого графа, который обычно задается множеством, состоящим из подмножеств вершин (узлов сети) и ребер (расстояний между ними), нового подмножества минимальных мощностей передатчика, при которых возможна бесперебойная связь между узлами. Такое введение позволило рассмотреть работу сети в экономном режиме, когда передающий радио-модуль способен переключать используемые при передаче уровни мощности (данной функцией оснащены практически все современные радио-модули). Помимо расширения математической модели сети были учтены расписание передачи информации и технические параметры оборудования сетей, влияющие на их энергоемкость. Итоговая формула получила вид:

где

t_m – время, затрачиваемое аналого-цифровым преобразователем для измерения всех необходимых параметров;

t_c – время, затрачиваемое микропроцессором на обработку значений, полученных от аналого-цифрового преобразователя;

t_w – время перехода микропроцессора из спящего режима в рабочий;

t_p – временной интервал, отсчитываемый от момента включения приемника данных до начала передачи информации передатчиком;

t_r – время, затрачиваемое радио-модулем на переход в режим приема;

t_t – время, затрачиваемое радио-модулем на переход  в режим передачи;

e_s – ток, потребляемый в спящем режиме микропроцессором;

e_m – ток, потребляемый аналого-цифровым преобразователем в режиме измерения;

e_w – ток, потребляемый в рабочем режиме микропроцессором;

e_r – ток, потребляемый радио-модулем в режиме приема;

T_l – длительность цикла сбора данных (реальная);

n – среднее ожидаемое количество попыток связи;

s_i – сумма значений энергопотребления радиопередатчика i-го узла при передаче откликов во все узлы, передающие данные напрямую узлу i с учётом необходимых уровней мощности;

z_i – энергопотребление радиопередатчика i-го узла при передаче пакетов сообщений измерительной информации с учётом требуемого уровня мощности.

Безусловно, выбор технологии передачи данных и определение энергии, потребляемой аппаратными средствами, представляет собой лишь часть работ по проектированию сетевой организации систем параметрического мониторинга удаленных объектов. Однако именно от принятых на данном этапе решений и расчетов во многом зависит надежность функционирования и простота эксплуатации сети в будущем. Приведенная в данной статье формула расчета энергии, потребляемой узлом, может быть положена в основу методики, позволяющей облегчить процесс проектирования беспроводных сетей и расширить их практическое применение. Стоит отметить, что подобный  подход уже был успешно использован при создании системы контроля технологических параметров (СКТП) на базе автономных манометров-термометров, которая, в настоящее время, внедрена и   эксплуатируется на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении [6, С.218].

 

Список литературы / References

1. Романов С. Беспроводные технологии с низким энергопотреблением / С. Романов // Электронные компоненты. – 2012. –№2.– С. 33 - 41.
2. Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart (4.0 / 4.1 / 4.2) [Электронный ресурс]: – URL: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1805171.htm (дата обращения: 10.10.2016).
3. Описание стандарта беспроводных технологий ZigBee [Электронный ресурс]: – URL: http://crossgroup.su//solutions/data_transfer/zigbee.html (дата обращения: 17.10.2016).
4. Зеленин А.Н. Анализ энергоциклов узлов беспроводных сенсорных сетей / А. Н. Зеленин, А. В. Власова // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2012. – №3. – С. 13-17.
5. Галкин П. В. Анализ энергопотребления узлов беспроводных сенсорных сетей / П.В. Галкин // ScienceRise. – 2014. – № 2(2). – С. 55-61.
6. Краснов А. Н. Использование беспроводных сетей в системах автоматизации газовых месторождений / А. Н. Краснов, М. Ю. Прахова, Е. А. Хорошавина // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. – –  № 4. –  С. 205-221.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Romanov S. Besprovodnye tehnologii s nizkim jenergopotrebleniem [Wireless technologies with low power consumption] / S. Romanov // Jelektronnye komponenty [Electronic components]. – 2015. – №8. – P. 13–17. [in Russian]
2. Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart (4.0 / 4.1 / 4.2) [Electronic resource]: – URL: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1805171.htm (accessed:10.10.2016).
3. Opisanie standarta besprovodnyh tehnologij ZigBee [Description of ZigBee wireless technology standard] [Electronic resource]: – URL: http://crossgroup.su//solutions/data_transfer/zigbee.html (accessed: 10.10.2016). [in Russian]
4. Zelenin A. N. Analiz jenergociklov uzlov besprovodnyh sensornyh setej [Analysis wireless sensor network nodes] / A. N. Zelenin, A. V. Vlasova // Vostochno-evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij [East-European journal of enterprise technologies]. – 2012. – №3. – P. 13-17. [in Russian]
5. Galkin P. V. Analiz jenergopotreblenija uzlov besprovodnyh sensornyh setej [Analysis of the energy consumption of wireless sensor network nodes] / P.V. Galkin // ScienceRise. – 2014. – № 2(2). –P. 55-61.
6. Krasnov A. N. Ispol'zovanie besprovodnyh setej v sistemah avtomatizacii gazovyh mestorozhdenij [Use of wireless networks for gas fields automation] / A. N. Krasnov, M. Yu. Prakhova, E. A. Khoroshavina // Jelektronnyj nauchnyj zhurnal Neftegazovoe delo [The electronic scientific journal Oil and Gas]. – 2016. – № 4. –  P. 205-221. [in Russian]