Сымсыз сенсорлы желінің ұйымдастырылуы
5
6
7
8
АҢДАТПА
Берілген жобада ұсынылған тақырыпқа сәйкес жалпы биік ғимараттардың
қауіпсіздігін қамтамасыз ету мақсатында ZigBee сымсыз технологиясын
қолдана отырып сымсыз датчиктерді орнату және оларды басқару мен
мониторинг жүргізу қарастырылды.
Жобада сымсыз желі жұмысының теориясы, құрастыру қағидалары мен
сымсыз желінің жұмыс істеу ерекшеліктері, қолданыстағы технологияның
түрліліктерінің мәселелері қарастырылған, сондай-ақ 802.15.4 стандарты
негізінде желінің таңдауы және оны іске асырудың негіздемесі жасалған.
Техника-экономикалық бөлімінде желінің ұйымдастыруына бөлінетін
капиталдық шығындарына есептеу жүргізілген. Одан басқа, өміртіршілік пен
еңбек қауіпсіздігі мәселелері қарастырылған.
АННОТАЦИЯ
В данном проекте,
согласно предложенной теме, рассмотрена
возможность управление и мониторинг сети на основе беспроводной
технологии
ZigBee
для быстрого реагирования в целях обеспечения
безопасности высотных здании.
В проекте рассматривается теория, принцип построения и особенности
работы беспроводной сети, существующих разновидностей технологии, а также
выбор и обоснование реализации сети на основе стандарта 802.15.4.
В технико-экономической части был составлен расчет капитальных
затрат на построение сети. Кроме того, были рассмотрены вопросы
безопасности труда и жизнедеятельности.
ANNOTATION
In this project , according to the proposed topic, consider the possibility of
managing and monitoring network based on ZigBee wireless technology for quick
response to ensure the safety of high-rise building.
The project considers the theory , principles and features of a wireless network
technology extant species , as well as selection and justification of implementing
network based on 802.15.4 .
The feasibility of the payment was made the capital cost of building the
network. In addition, the issues of safety and life
9
МАЗМҰНЫ
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
1
1.1
Негізгі бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 9
Кеңселер мен өндірістік бөлмелерінде өртке қарсы қауіпсіздікті басқару
мысалында желіні талдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 9
1.2
1.3
IEEE 802.15.4 стандартының спецификациясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
ZigBee технологиясының өзге сымсыз технологиялармен салыстырмалы
сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . Ошибка! Закладка не определена.8
1.4
1.5
1.6
ZigBee технологиясын өнеркәсіпте қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 21
Сымсыз сенсорлық желінің архитектурасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..25
Сымсыз сенсорлы желінің
ұйымдастырылуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...Ошибка! Закладка не
определена.8
1.7
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Құрылғыны таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
Есептеу бөлімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 37
Ғимараттың қауіпсіздігін қамтамасыз ету ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 417
ZigBee құрылғысының қуат тұтыну есебіОшибка! Закладка не определена.9
Дабылдың әрекет ету аймағын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 41
Шуылды есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 45
Cызықты жоғалтуларды есептеуi ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 47
Дабылдың таралу моделі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 50
ZigBee жүйесінде мәлімет таратудағы дабыл - шуыл қатынасы мен өшу
деңгейін анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 54
3
3.1
3.2
3.4
4
4.1
4.2
4.3
4.4
Өмір тіршілік қауіпсіздігі ... ... ... ... ... .. Ошибка! Закладка не определена.8
Қауіпті және зиянды факторларды талдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 628
Кондиционерлеуді есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 64
Кондиционерді таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 728
Экономикалық бөлім ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 70
Жоба өзектілігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 70
Еңбек сыйымдылығы жұмысын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 71
Қызметкерлердің жалақысын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 75
Интеллектуалды еңбек бағасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 80
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 82
Әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 83
Қысқартылған сөздер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 84
А Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 85
Ә Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 85
Б Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 86
В Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 86
10
КІРІСПЕ
Қазіргі уақытта үлестірілген жүйелер біздің өмірімізге кеңінен кіру
үстінде. Қазiргi үлестiрiлген жүйелердiң негiзгi бағыттарының бiрi - сымсыз
сенсор желiлер болып саналады.
Сымсыз сенсорлы желі - радиоарналар арқылы өзара біріккен, сонымен
бірге атқарушы құрылғылардан және көптеген датчиктерден (сенсорлардан)
тұратын, бөлінген, өздігінен ұйымдасатын желі. Осындай желіде бір элементтің
екінші элементтің хабарлама ретрансляциясының арқасында қамту аймағы
бірнеше метрден бірнеше километрді құрайды.
Соңғы кезде сымсыз сенсорлы желілер (ССЖ) қарқынды даму үстінде.
Мұндай желілер аз қуатты қабылдау- таратқыштан, сенсорлар мен
микропроцессорлардан, көптеген кішігірім тұйіндерден тұрып, физикалық әлем
мен жаһандық желілерін бірге байланыстыра алады. Осы тақырыпта үлкен
ғылыми жұмыс ағындарын қамтамасыз ететін сымсыз сенсорлы желілер
көптеген ғалымдардың, зерттеу институттары мен коммерциялық ұйымдардың
назарын аударуда. Мұндай сенсорлы желілердің қолдануы, жүйелердің кең
мүмкіндігі мен зерттеуінде үлкен қызығушылықпен шартталған. Әртүрлі
қолданбалы аймақта бұрын байланыс линиясы ретінде өткізгішті қолданса,
сымсыз арнаны қолдану маңызды, бұл барлық мүмкін бола алатын жүйелерді
құрудың негізгі есебі болып саналады. Мәліметтерді жинау, басқару және
автоматтардырудағы өте маңызды сұрағы, берілген жүйелердегі сымсыз
байланысқа өтудегі, желідегі құрылғылардың санының жүзден мыңға дейін
жетуінде.
Кейбір жағдайларда технологиялық немесе ұйымдастыру себептерінен
сымды желілерді өткізу мүлдем мүмкін емес. Осындай жағдайларда сымсыз
байланыс көптеген қиындықтарды шешеді. Қозғалыстағы және айналмалы
нысаннан (конвейерлерден, құлтемірлерден), сонымен қатар жоғарғы
қуаттылықта болатын және гальваникалық шешімдерді талап ететін
нысандардан мәліметтерді беруге қабілетті. Жарылыс пен қауіпті өрт кезіндегі
шарттар ажырамалы қосылыстарды жоюда жұмыстың қауіпсіздігін
жоғарылатады. Сондықтан сымсыз жүйелерде мәлімет тарату үлкен шеңбер
шешімі үшін аса тартымды көрінеді.
Сымды байланыспен салыстырғанда радиоарнаның сенімділігінің
төменділігінен, жоғары баға мен базалық элементтің жоғарғы энергия тұтынуы,
сонымен қоса орнату мен орнату нысанының жүйесін өзгертулерінде
қиындықтар тудыруы көп уақыт бойы сымсыз жүйені тәжірибеде қолдануға
қиындатты. Қазір сымсыз жүйеде стандартты хаттамалар басқаруын және
мәліметтердің таратуын қолдайтын бағдарламалық қамсыздандырулардың
өркендеуі, сонымен қатар радиомодульдер мен модемдердің және
микросұлбалар жиынтығының нарықта пайда болуының арқасында кішігірім
11
радиуста желінің әрекет етуі сымсыз технологияның нәтижесінде мәліметтерді
жинау, басқару және автоматтандыру шынайы жүзеге асты.
Жеке алғанда сымсыз сенсорлы желілер әуеғарыш жүйесіндегі
құрылғылардың істен шығуын және ғимараттарды автоматтандыру жүйесі үшін
қолданылады. Өзінің өз бетінше ұйымдаса алу қабілеті мен дербес және бұзылу
төзімділігінің жоғарылығының арқасында, бұндай желілер қауіпсіздік жүйелері
мен әскери қолданбаларында белсенді қолданыста. Сенсорлы түйіндердің
интегралды сұлбалармен үйлесімділігінен биологиялық сенсорлардың өмірге
келуінің арқасында медицинада денсаулықты бақылауда сымсыз сенсорлы
желілер қолданыс тапты. Сымсыз сенсорлы желінің кең тараған аймағы
қоршаған орта мониторингі мен тірі жәндіктер үшін. Осыған орай, дипломдық
жобада тақырыбы ретінде сенсорлы желі негізіндегі жүйелерді дистанционды
мониторингтеу және бақылауды талдау алынды.
12
1 НЕГІЗГІ БӨЛІМ
1.1 Кеңселер мен өндірістік бөлмелерінде өртке қарсы қауіпсіздікті
басқару мысалында желіні талдау.
Бүгінгі таңда өрт миллион теңгеге жуық мүлікті жояды. Осымен қоса өрт
адам өлімінің себепкері. Мәселенің бәрі ұсынылған қауіпсіздік жүйелерінің
ескіруінен болады, осы кезде нысанды бақылаудың бар жауапкершілігі
күзетшіге жүктеледі. Төтенше жағдай департаментінің ақпараты бойынша
былтыр Алматының өзінде 900-ге жуық өрт тіркелген. Биылғы жыл бітпей-ақ
Оңтүстік астанамыздағы ірі өрттердің саны елуден асты. Осы кезеңді 2012
жылмен салыстырғанда зардап шеккендердің саны екі есе өскен. Негізінен өрт
сауда кәсіпорындары мен кеңселерде, қойма мен өндірістік бөлмелерде болады,
оның арты үлкен шығынға ұшыратады. Санақ бойынша елімізде жыл сайын
өрттен төрт-бес миллиард соммасында материалдық құндылықтар жойылады
екен. Осы жылы екі жарым миллиард теңгені құрайтын мүлікті зақымданудан
сақтап қалды. Егер сол мүліктер жойылған сәтте шығындар бизнес
компаниясына жүктелер еді. Бірақ жалпы бұзылулардан өрт сөндірушілер бір
нәрсені сақтап қалған күннің өзінде кәсіпкерлер бұрынғы деңгейіне келе
алмайды. Өрттің салдарынан көптеген компаниялар жұмысын тоқтатты.
Алайда төтенше жағдай департаментінің пультына дабыл түскен сәттен бастап
оқыс оқиғасы болған жерге дереу бет алады. Бірақ осы жерде бірнеше
қиындықтармен қақтығысады. Біріншіден, үлкен заманауи қаланың қиындығы
- жол кептелісі, автотұрақта орын болмауы, кіру жолдарының бос болмауы.
Екіншіден, адам факторлары, жол мен кептеліс қиындығы орын алмаса,
бизнесмендер компьютердің орнына күзетшілеріне сеніп тапсырады. Көбісі
осындай тәсілге жүгінбейді, себебі оның арты үлкен шығынға айналады.
Бұл мәселенің мәні әдетте ғимараттар автономды өрттің дабыл
құралдарымен жабдықталған, алайда осындай тәсіл өркениетті елдерде ескірген
болып саналады. ҚНжЕ сәйкес дабыл ғимараттарда орнатылып, жалын мен
бөлменің түтінделуін белгілесе, осы жерде дыбыстық дабыл естіледі.
Қызметшілер дабылды ести салуымен дереу өрт қызметіне хабарлау керек.
Бірақ осындай жағдайда адамдар сасқалақтап, дұрыс шешімдер жасай алмайды.
Мысал келтіретін болсақ, дереу өрт қызметіне хабарлаудың орнына өмірлеріне
қауіп келтіріп, өз бетінше өрт ошағын тауып және өртті сөндірмекші болады.
Кейбір жағдайларда өртенген ғимаратта ешкім болмауы да мүмкін, мысалы,
күзетші кейбір себептермен жұмыс орнын тастап немесе ұйықтап қалуы
мүмкін. Басшылығының келісуінсіз ұйым қызметкерлері өз бетінше шешім
қабылдап 101 қоңырау шала алмайды. Осының салдарынан уақытты
шығындап, өрт сөндірушілер өртеніп болған нысандарға бірақ жетеді.
13
Заманауи техникалық-ұйымдасушылық шешімдер адам факторларын
жоюға ат салысады. Бұл өртті бақылау жүйесі, ол өртті анықтайтын сымсыз
жүйе болып табылады. Ең басты ерекшелігі - өртеніп жатқан ғимарат жайлы
дабыл жауапты қызметшіге барып қана қоймай сонымен бірге өрт қызметіне
барады. Осындай тәсілмен адамдардың қателіктерін алдын алады. Жұмыс істеу
тәсілін анығырақ айтсақ, дабыл автоматтандырылған датчиктерден ұйымның
бақылау пультіне беріледі. Құрылғы дабылды өңдеп, қай нысаннан түскенін
анықтап, жақын маңдағы өрт бөліміне таратады. Өртену және ғимарат жайлы
(кіре беріс жолдары, қабаттар саны, қызметкерлер саны және т.с.с.)
мәліметтерді қайта жібереді. Айтылған кезеңдерді талдау бірнеше секундтарда
жүзеге асады. Мониторинг жүйесінің өзінде қиындықтар болады. Мысалы,
кәсіпорын және электр энергетика ұйымы, тұрмыстық коммуналдық
шаруашылық қызметкерлері, инженерлік коммуналдық ғимараттарға қызмет
ететін арнайы төтенше жағдайлары өрт және қорғау саласында ақпараттың
жедел жетпейі мен өңделмеу мәселерімен соқтығысуы мүмкін. Телеметриялық
ақпарат әртүрлі датчиктерден келіп түседі (қысым, температура, ылғалдылық
және т.б) нақты уақытта жиналып, өңделуі керек және ұялы байланыс
құралдарына таратылу керек. Берілген жағдайда жүйені өндіруде мақсатса сай
сымсыз телекоммуникациялық құралдар пайдаланылады. Бұл үрдіс ақпаратты
қабылдау мен өңдеуді жылдамдатады. Әртүрлi ақпарат жинау жүйесінде
деректердi тарату үшiн сымсыз технологияларды пайдаланудың ерекшелігі
басқару құрылғылар құнның төменділігі мен жоғары сенiмдiлiк қасиетімен
тартымды. Бұл шешім индустриалды жүйелерде RS-232, RS-485 стандартты
интерфейстерді қолдануда байланыстың өткізгішті түрін алмастыра алады.
Сымсыз технологияны қолдануда кәбелді қосылуларды өткізуден бас тарта
алады, иілгіштігін жоғарылатып қана қоймай мобильді жүйені басқару
мүмкіндігін қамтамасыз етеді.
Қолданбалы индустрия үшін сымсыз технологияны таңдауы,
телеметриялық ақпарат жинау негізінің талаптары - желілік стандарттың
ашықтылығы, желілік құрылғыларды өндірушілердің толық масштабты
қолдауы, әртүрлі өндірушілердің құрылғыларының үйлесімділігі, ұзақ
болашағының қолжетімділігі, үнемділігі, жүйеде әртүрлі желілік архитектура
құру мүмкіндігі, қарапайым қосылуы және қолданылуында.
Осыдан келе, жоғарыда айтылған мәселелерді шешу немесе жетілдіру
үшін дипломдық жұмысымда ZigBee сымсыз технологиясын енгізуді
ұсынамын. Кейін жұмысымда заманауи WPAN технологиясы жайлы айтылады,
ол жоғарыда айтылған ZigBee технологиясы мониторинг жүйесінде сымды
байланысты алмастырады, анығырақ айтсақ кеңсенің немесе өндірістік
бөлменің күзеті сымсыз жүйесінің негізінде қолданылады.
14
1.2 IEEE 802.15.4 стандартының спецификациясы
Стандарттың кез-келгені сымсыз мәліметтермен алмасу интерфейсі
болсын я болмаса сымсыз байланыс болсын, өз ортасында тапсырмаларын
шешуге арналады. Мысалыға WiFi, орта қашықтықта жоғары жылдамдықпен
ақпаратты, видео және аудио тарата алады, WiFi сымсыз құрылғылардың
қолжетімділігі корпаративті және Интернет желісіне арналған. Сонымен бірге
Bluetooth стандарты аз қашықтықта ақпарат таратуға көзделген. Жылдамдығы
жағынан WiFi жетпейді, ол ағынды аудио және видео таратуға арналған,
мысалы, үй кинотеатрының компонеттері арасы үшін. ZigBee көмегімен
шешілетін негізгі тапсырмасы
-
орта қашықтықта шағын көлемдегі
ақпараттарды тарату. ZigBee спецификациясы осы стандарттың қабылдау және
таратқыш құрылғысы аз энерго тұтыну қажет. IEEE 802.15.4 және ZigBee
сапалы ағынды аудио және өте анық видеоларды беруге болмайды, бірақ
күрделі сұлбалы мониторинг пен әр саладағы тәжірибелік баруға болады. IEEE
802.15.4 құжаты желідегі жиіліктерді, аппараттық ерекшеліктерді және басқа да
ерекшеліктерді бейнелейді, осы уақытта ZigBee құжаты желілік басқару
прцесін, қауіпсіздік параметрлерін, үйлесімділікті, құрылғы профильдерін
қамтиды . IEEE 802.15.4-2 желісінің ерекшелігі ұялы және тәжірибелік кез
келген топологияны жүзеге асыра алады.
ZigBee хаттамасының стегі ақпараттарды таратуда ашық жүйелердегі OSI
(Open System Interconnection) жеті деңгейлі иерархиялық хаттама моделімен
құралған. Стек IEEE 802.15.4 деңгей хаттамасын құрайды, ол байланыс
арнасын, желілік бағдарламалық деңгейін және қосымшаларды қолдайтын
деңгейлер, Альянса ZigBee арнайы спецификасын анықтайды . Өз кезегінде,
ZigBee одағы ұсынған, ZigBee сымсыз ақпарат тарату технологиясы өзге
модельдердің өзара әрекеттесу деңгейін анықтайды. Оларға жататындар:
желілік деңгей, қауіпсіздік деңгейі, қосымшаның құрылымының деңгейi және
қосымшаның профилiнiң деңгейi. ZigBee сымсыз ақпарат тарату
технологиясының желілік деңгейі құрылғылардың табылуы мен желінің
кескініне жауап береді және үш желі топологияларын қолдайды [1].
IEEE 802.15.4 архитектурасы стандартты жеңілдетуге арналған деңгей
қатарларын анықтайды. Әр деңгей стандарттың бір бөлігіне жауапты және
жоғарыда көрсетілген деңгей қызметтерін атқарады. Деңгейлер арасындағы
интерфейс берілген стандарттағы логикалық байланысты анықтайды (1.1 сурет,
1.1 кесте).
15
1.1 Cурет - ZigBee хаттамасының құрылымы
Стандарт ақпарат таратудың келесі жылдамдықтарын анықтайды: 250
Кбитс, 100 Кбитс, 40 Кбитс және 20 Кбитс. Радиоарна арқылы ақпараттың
таратылуы және қабылдануы PHY физикалық деңгейде жүзеге асады. Ол
жұмыстық жиіліктік ауқымды,модуляция түрін, максималды жылдамдықты,
арна санын анықтайды: O-QPSK - 2,4 ГГц (16 арна, 250 Кбитс) ауқымына
арналған ығысуы бар квадраттық фазалық манипуляция, BPSK - 915 МГц (10
арна, 40 Кбитс) және 868 МГц (1 арна, 20 Кбитс) жиілігіне арналған екілік
фазалық манипуляция. PHY деңгейі қабылдағыш - таратқыштың белсендіруін
өшіруін, жұмыстық арнадағы қабылданған дабыл энергиясын детектрлеуді,
ақпарат дестесін қабылдау кезінде байланыс сапасын белгілеуді және CSMA-
CA (тасымалдаушыны бақылайтын және коллизияның алдын алатын ортаға
көптік рұқсат хаттамасы) хаттамасын іске асыруды қамтамасыз етеді [2].
802.15.4 стандарты бұл - физикалық радио (радиотаратқыш-қабылдағыштың
микросызбасы); ал ZigBee - қауіпсіздік және маршруттау қызметтерін
қамтамасыз ететін логикалық желі және бағдарламалық стек екенін түсіну
маңызды.
802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі OSI эталондық моделінің
екі төменгі
-
физикалық (PHY) және арналық (MAC) деңгейлерін
ұйымдастыруға арналған. Бұл қабаттар жоғарғы қабаттарға қызметтерін
16
ұсынады (1.2 сурет). Қабаттар логикалық байланысты интерфейс арасында
анықтау қызметін атқарады. Физикалық деңгей екі қызмет ұсынады: ақпаратқа
физикалық қызмет көрсету және физикалық басқару. Деңгейдің есебі -
радиотаратқыш - қабылдағыштың активация мен дезактивациясы , арнаны
таңдау, энергия деңгейін (energy detection) анықтау және физикалық ортадан
пакеттердіі қабылдау. MAC деңгейі келесі қызметтерді ұсынады: арналық
деңгейдің ақпаратқа қызмет көрсету және басқаруын. Деңгейдің есебі -
дабылдық басқару, арнаға рұқсат алу, GTS басқару, дестелерді бекіту,
дестелердің жеткізілуін мақұлдау, құрылғылармен қосу (ассоциация) және
өшіру (дизассоциация), сонымен қоса механизмнің қауіпсіздігін қамтамасыз
ету.
1.2 Cурет - 802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі OSI эталондық
моделінің деңгей архитектурасы
Архитектураны айта кетсек, бүгінгі таңда сенсорлардың аппараттық
бөлігіне деген талаптар төмендегіше жинақталған: орталық процессордың
жиілігі 20 МГц тен төмен емес, оперативті жадының көлемі 4 КБ төмен
болмауы керек, жіберу жылдамдығы 20 Кбитс төмен емес. Аппаратты
жабдықтандыруды оңтайландыру сенсордың көлемін кішірейткенімен, оның
бағасын арттырады.
17
1.1 К е с т е - 802.15.4 стандартының спецификациясы
ZigBee технологиясы Wi-Fi немесе Bluetooth сияқты мәлiметтiң үлкен
көлемдерiн таратуға арналмаған. Мысалы, энергиятұтынуы, бағасы және
сенiмдiлiгі бойынша биiк көрсеткiштер керек жағдайда, датчиктер
көрсетулерiнің көлемi он байттан сирек асатын мәліметтерге жоғарғы
жылдамдықтың қажеті жоқ. ZigBee құрылымдарының көпшiлiгi келесi
алгоритм бойынша жұмыс iстейдi : құрылым уақыт түгелдей дерлiктi ұйықтап
жатқан күйде қуат жинағының ұтымды тәртiбi қамтамасыз етеді. Жаңа
мәлiметтер немесе құрылымның кезектi байланыс сеансының уақытында iске
қосылады, мәлiметтер жылдам беріледі және төмендетiлген энергиятұтыну
тәртiбіне қайтадан өтедi. Сонымен бiрге бiр үлгiдегi уақытша тоқтаулар арнаға
рұқсат алуға 15 мс, ұйықтап жатқан күйден белсендi өткелге өту 15 мс, желiге
жаңа құрылымның қосуға кеткен уақыт 30 мс-тi құрайды. Осылайша
батареялардың қызмет мерзiмiн 10 жылға дейiн созуға болады және ол
қосымшаның түрiне жұмыс циклының ұзақтығына байланысты, берілетін ток
мөлшері 15...30 мА құрауы мүмкін, ал ұйықтап жатқан күйде - 2 мА кем
болады. Нәтижеде, үн қосу бойынша тоқтаулар соншама аз, адам бөлмеге кiрiп
және ZigBee сымсыз байланысының қосқышын қосқан кезде жарық лезде пайда
болғанын тiптi байқамай калады. Бұл кезде Bluetooth желісіне қосылу уақыты 3
с құрайды [3].
Желіде бірегей қасиеттері мен датчиктер жайлы ойлар Smart Dust
компаниясының қызығушылығын шақырды, Ember, Freescale Semiconductor,
18 Стандарт
TM
802.15.4 ZigBee
Жиілік
868 МГц
915 МГц
2,4 ГГц
Арна саны
1-
102 МГц
165 МГц
Таралу аймағы
Европа
Америка
Бүкіл әлем
Максималды
жылдамдық
20 кбитс, BPSK
40 кбитс, BPSK
250 кбитс,O-Q
PSK
Шығыс қуаты
0 dBm (1 мВт)
0 dBm (1 мВт)
0 dBm (1 мВт)
Алшақтығы
10 - 100 м
Сезімталдығ
ы
- 92 dBm
- 92 dBm
- 85 dBm
Стек өлшемі
4 - 32 кбайт
Батареяның
жұмыс жасау
мерзімі
100 -ден 1000-ға дейін
Желі өлшемі
65536 (16-битті мекен-жай, 64-битті мекен-жай)
Honeywell, Invensys, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips Electronics және
Samsung фирмалар консорциумы ZigBee альянсына кіреді, аз қуат тұтынумен
сымсыз желі мониторингі және басқару ашық стандарт негізінде орын алды.
Бүгінгі таңда консорциум құрамына Analog Devices, Atmel, Cisco Systems,
Crossbow Technologies, Dust Networks, LG, Microchip, Nanotron Technologies,
NEC, Oki, Omron, Texas Instruments 100- ден аса жүйелер, датчиктер, микросұлб
жасалап шығаруда. Альянска кіретін компаниялар ISM, (2,4 ГГц) жиілік
диапазонында істейтін, 15 - 20 м қашықтықта секундына бірнеше ондық бит
жылдамдығымен тарататын, сымсыз сенсорлы жүйенің бұйымы болатын IEEE
802.15.4 стандарты 2003 жылы қыркүйек айында шығарылды. Көптеген қызмет
көрсету салалары ( өнеркәсіп, көлік, коммуналдық шаруашылық, күзет)
сенсорлық желіні енгізуіне қызығушылық танытуда, тұтынушылар саны
үздіксіз өсуде. Үдеріс технологиялық қызметтердің күрделенуімен, өндірістің
өсуімен, жеке тұлғалардың сұранысының өсуімен, қорларды бақылаумен және
тауарлық - материалдық құндылықтарды қолданумен түсіндіріледі. Өнеркәсіпте
қолданылатын сенсорлы желідегі тұрғын -коммуналдық кешенде, үй
шаруашылығында, микроэлектрондық технологияның өркендеуімен жаңа
тәжірибелік тапсырмалар мен теориялық қиындықтар туды. Арзан сымсыз
сенсорлы құрылғыларды қолдануда параметрлерді басқара отырып, телеметрия
жүйесінде қолданатын және басқаратын жаңа аймақтар ашылды, солардың
қатарына:
− атқарушы механизмнің дер кезінде істен шығуын анықтау, мынандау
параметрлерді басқаруда: діріл, температура, қысым және т.б.;
− нақты уақыт режіміндегі мониторинг нысанындағы жойылған жүйеге
рұқсат алуды бақылау:
− мұражай құндылықтарын күзетуді қамтамасыз ету;
− экспонат есебін қамтамасыз ету ;
− автоматты түрде экспонатты тексеру;
− инспекцияны автоматизация және өнеркәсіптегі активтерге техникалық
қызмет көрсету;
− коммерциялық активтерді басқару;
− энергетикалық және қор сақтайтын технологиялар кешенін қолдану;
− қоршаған ортаның экологиялық параметрлерін басқару.
19
1.3 Сурет - ZigBee 802.15.4 технологиясының қолдану аймағы
802.15.4 ZigBee стандартының негізгі артықшылығы
-
оңай
қолдырылады және осындай жүйелерге қызмет көрсетеді. ZigBee
спецификациясы сымсыз дербес желіні оңайлықпен жаяды: сіз қораптан
құрылғыны шығарасыз, батареясын саласыз, екі құрылғыны бір-біріне
тақап,жасыл жарық диоды жанбағанша батырманы,пернелерін басасыз.
Осындай реттілікпен желіге екі құрылғыны біріктіресіз. ZigBee модулін
өндіруде берілген ұстанымдар арқылы кеңсе мен үйге арналған аспаптар жүйесі
орындалады. Нәтижесінде әр өндірушілердің ортақ құрылғыларын бір желіге
біріктіреді
ZigBee микросұлбалары және оларды қолдану аймағы
Бүгінгі таңда нарықта ZigBee модульдерінің және микросұлбаларының
кең түр-түрі келтірілген. Егер құрастырушы өз құрылғыларында айтылған
технологияларды қолданатын болса, онда ол ZigBee-ді іске асырудың кез-
келген сұлбалық тәсілін және арнайы элементтік базасын оңайлықпен таба
алады. Мысал ретінде DSP - процессоры және микроконтроллері бар басқару
20
және мәлімет жинау құрылғысын қарастыруға болады. Егер процессор
толығымен негізгі жұмысты жасаумен толы болмаса,онда оны ZigBee стегін
өңдеуге қолдануға болады. Осы жағдайда радиожиіліктік интерфейсті жүзеге
асыру үшін радиожиіліктік модемін ( трансивер) 802.15.4 қолданылады, ол тек
ZigВee - 802.15.4 хаттамасының төменгі деңгейін ұстанып, радиодабылдың
қабылдау - таратқыш функциясын атқарады. Микроконтроллер мен процессор
арасындағы мәлімет алмасу SPI стандарттық хаттамасы негізінде жүзеге
асырылады (1.4а сурет). Трансиверлердің қай түрі болмасын,олар 802.15.4
желісінің қарапайым және күрделі топогиясына қолдау көрсетеді
[4].Таратқыштың шығыс қуатын 14 дБм-ге дейін және қабылдағыштың
сезімталдығын 6 дБ-ге дейін жоғарылатуды Texas Instruments MC2590
антенналық күшейткіші арқылы жүзеге асыруға болады.
1.4 Сурет - ZigBee негізіндегі құрылғылардың құрылу нұсқалары
Айта кетсек, кейбір 2,4 - ГГц-ті трансиверлер (мысалға, Freescale MC
13201) 802.15.4 стандартына сай болып келмей және ZigBee құрылғыларына
қолдануға жарамсыз болады. Егер негізгі процессордың ресурстары ZigBee
стегін өңдеуге жеткіліксіз болса,арнайы жеке микроконтроллер қажет (1.4 б
сурет ). Бірақ бұл жағдайды өзгеше шешуге болады, ол үшін радиожиіліктік
бөлімді және процессорды біріктіретін микросұлбаны қолдану қажет.
Микросұлба ZigBee стегін өңдеумен қоса,басқа да тапсырмаларды орындай
алады (1.4 в, г суреттері).
21
1.3
ZigBee
технологиясының
өзге
сымсыз
технологиялармен
салыстырмалы сипаттамасы
Бүгінгі таңда сымсыз есептегіш желілерді құрастыруда кең тараған үш
түрлі стандарт бар:
IEEE 802.11 - Wireless Local Area Network (WLAN -- сымсыз
жергiлiктi есептеуiш желiлер);
IEEE 802.15 - Wireless Personal Area Network (WPAN -- сымсыз
дербес есептеуiш желiлер);
IEEE 802.16 - Broadband Wireless Access (BWA -- сымсыз кең
жолақты рұқсат).
Біздің алға қойған мақсатымыз әр сымсыз байланыстың стандарттарын
толық талдауда емес. Осы бөлімде негізгі ықылас WPAN желілеріне бөлінеді,
жеке алғанда ZigBee желісіндегі дербес сымсыз желілерінің ішіндегі ең жаңа
IEEE 802.15.4 стандартына. 802.11 және 802.16 стандарттары бұл жерде
салыстыру үшін көрсетілген (1.5 суретте көрсетілген).
1.5 Сурет - Сымсыз желілердің стандарттары
WPAN сымсыз дербес есептеуiш желiсi дербес компьютерлердiң
арасындағы кабелдiк қосулардың алмастыруы үшiн әдетте 15...20 метрден
артық емес радиуста жергілікті желі орнататын, сонымен қатар түрлі шеттегі
құрылғылар мен мутимедиялық құрылғыларды (КПК, принтерлер, факс,
сканерлер, стереожүйелер және т.б.) қосу үшін қолданылады. Алайда кейбір
22
WPAN желілері (ZigBee, Bluetooth) 100 м арақашықтығында жұмыс істей
алады. IEEE 802.15.1 стандарты осы шарттарды орындай алатын бірінші
стандарт болды. Стандарт Bluetooth vl.x-тың спецификациясында негiзделедi
және (MAC layer ) ортаға рұқсаттың деңгейі және (PHY layer ) физикалық
деңгейiн анықтайды. 802.15 отбасының кеңеюіне жасаған келесі бір қадамы,
802.11 және 802.15 құрылғы класстарының өзара әрекеттесуін қамтамасыз
ететін стандартты ойлап табуы. Бірақ көп ұзамай WPAN желілерінің аймағында
жұмыс істейтін құрылғылар үшін, Bluetooth технологиясының қамтамасыз
ететін жылдамдығы жеткіліксіз болып қалды. Енді ондаған және жүздеген
Мбитс өткiзу қабiлетi бар мәлiметтердiң сымсыз арнасын құруға мүмкiндiк
беретiн стандарттың (IEEE 802.15.3) өндiруiндегi қажеттiлік пайда болды.
Жоғарыда аталған стандарттар үлкен көлемді ақпаратты (дауыс, мәлiметтер,
видео) жоғары жылдамдықпен (1 Мбитс пен 200 Мбитс аралығындағы)
жіберуге өте қолайлы. Сол стандарттың негізінде жұмыс істейтін құрылғылар
автономды режимде (батареялар және аккумуляторлардан) 10-100 м дейінгі
қашықтықта қызмет көрсете алады. Бұл стандарттар бiз (компьютерлер, есептеу
желiлерін) күнбе-күн жұмыс iстейтiн құрылғылардағы өткiзгiш сымдарды
алмастыруға мүмкiндiк бередi. Алайда сырттай қарағанда елеусіз, бірақ өзінің
ерекшелітеріне байланысты ондай қосымшаларда жоғарыда айтылған
технологиялар жүз пайыздық тиімділікпен қолданыла алмайтын жүйелердің (әр
түрлі датчиктер, ақпарат жинау жүйелері және т.б.) жиынтығы бар. Осындай
мәселелерді шешу мақсатында WPAN төменгі жылдамдық желілері үшін IEEE
802.15.4 (ZigBee) стандарты өңделген болатын. Аз қашықтықтағы байланыс
үшін арналған датчиктердiң жиынына, микроконтроллерге және радиожиiлiктік
қабылдағыш-таратқышқа ие болатын (немесе басқа мәлiметтер көзі), әрекеттiң
аз радиусында істейтін сымсыз желiлер (WPAN-Wireless Personal Area
Network), құрылымдардың кеңiстiгінде таралған жиыннан тұратын сымсыз
жүйелерiнiң жаңа класы болып табылады. Көптеген WPAN желілердің негiзгi
міндеттеріне
-
өздiгiнен ұйымдасу және эксплуатация шартарының
өзгерістіріне бейiмделгiш болып келеді. Сондықтан, орнату үшін керекті
заттарды күшейту қажет: күйге келтіру және ары қарай пайдалану және ұқсас
желiні бақылап отыруы үшiн талап ететiн күштер минималды. Бұдан басқа,
түйiндердегі хабарлауларды ретрансляциялайтын қабiлеттiлiгi бар, (бөгеттер
немесе бөгеуiлдер, физикалық бұзылу және тағы басқалардың пайда болуы) әр
түрлi себептер бойынша жеке түйiндердiң орнықтылығын және таратушының
аз қуатының көмегімен жүйенiң жамылғысын түбегейлi ауданын қамтамасыз
етедi. Түйiндер сонымен бiрге мәлiметтердiң жеткiзуiнiң ұтымды
маршруттарын өз алдына анықтайды және олар желiнiң топологиясы
өзгергенде түзетедi. ZigBee802.15.4-ң негізгі артықшылықтарының бірі болып
орнатудың оңайлығы және осындай құрылғыларға қызмет көрсете алуы
саналады. Дербес сымсыз жазу ZigBee спецификациясының ерекшелігі: сіз
құрылғыны қораптан аласыз, оған батареясын орнатып керекті пернесін
басасыз. Содан кейін екі құрылғыны пернені басқан күйдебір біріне
жақындатып жасыл светодиот жанғанша ұстайсыз. Осылайша екі құрылғының
23
желіге қосылуы немесе тіркеуі жасалады, мысалы, жарық сондіргіштер арнайы
лампаға. Бұл принципті орындау ZigBee модульдерін жаңа аспаптарға және
кішігірім ғимараттар (үй, кеңсе) жүйесіне, өнеркәсіпке ендіру ұсынылады
(өнеркәсіптік зона, зауыттар). Сымсыз желілері стандарттарының салыстыру
мысалы төменде келтірілген (1.2 кесте).
1.2 К е с т е - Сымсыз желілер стандарттарын салыстыру
Сымсыз түйiннiң аппаратты қамтамасыз етуi және iшiнде торлық өзара
әрекеттесудiң хаттамалары жүйенiң пайдалануын ұзақ мерзiмнiң қамтамасыз
етуге арналған энергия тұтынуы бойынша автономды көз қоректенуiнiң
қолдануында оптимизациялаған. Режимге байланысты, сымсыз желiнiң
түйiнiнiң жұмыс уақыты бiрнеше жылдарға жете алады.
WPAN желiсінің артықшылықтары - таралған жиынмен, талдаумен және
мәлiметтiң берiлуiмен сабақтас қолданбалы есептердiң кең шеңбердегі шешiмді
тиiмдi қолдана алады :
-микроклиматты сүйемелдеуге арналған жабдықпен,
температура
мониторингімен, ауаның шығынымен, адамдардың қатысуын барлау және
басқару т.б.;
-жарықпен басқару т.б.;
-энергия жабдықтауымен басқару т.б.;
-пәтердегі газ, су, электр энергиясының т.б. жиыныдардың
есептеуiштерiнiң көрсетулерi;
24
1.4 ZigBee технологиясын өнеркәсіпте қолдану
Егер бүгін географиялық бөлінген нысандарға (контроллерге,
датчиктерге, өлшеу құрылғыларына) басқару терминалының қатынау нүктесін
ұйымдастыруды қажеттілігі туса, онда жалғыз, шынайы балама ретінде ұялы
байланыс желісі қолданылады. Ережеге сай басқару терминалдарына ғаламтор
желісіне қосылған сервер немесе дербес компьютер болып саналады, осы
уақытта жойылған нысандар арнайы өнеркәсіптік GPRS - модемдеріне
қосылып, GPRS - ғаламтор арнасы арқылы басқару терминалымен байланысты
қалыптастырады.
Екі жойылған нысан аймағының арасындағы тұрақты байланыс үшін
(радиоұзартқыш) мобильді операторының локальді желісі қолданылады, оған
екі нысан GPRS-модемдеріне қосылған .
Байланыс операторының жойылған аймаққа таралған нысандарға қатынау
нүктесі, дайын инфрақұрылымының арқасында мобильді операторларның
трафик ақысы төмен. Алайда автоматтандырылған нысандардың тығыз
орналасады, мысалы: зауыт айналасында, қоймаларда, порттар мен темір жол
станцияларында. Осы жағдайда трафик ақысын талап етпейтін меншікті
локальді (дербес) сымсыз радиожелілерді қолданады.Бұл жағдай біздің
күнделікті қолданатын қоршаған желімізге ұқсас, олар біз сияқты Wi-Fi
технологиясының көмегімен ноутбук, медиацентр мен коммуникатор,
теледидарды бір желіге біріктіреді. Сымды арналардан бас тартып әртүрлі
контроллер, датчиктер, өлшеу құрылғылары және басқару құрылғылары
арасында басқару терминалымен байланыстыруға болады.
Wi-Fi-ды Bluetooth секілді автоматтардырылған өнеркәсіп жүйесінде
қолдануға болады, бірақ коммерциялық, өнеркәсіптік және үй автоматика
жүйесінде сымсыз дербес бағытталған ақпараттық желілер бар. Бұл стандарт
IEEE 802.15.4 (ZigBee) деп аталады. Ортақ тұтынудағы ұялы байланыс
желісінен ZigBee айырмашылығы Bluetooth және Wi-Fi секілді дербес
радиожелі болып саналады. Автоматтандырылған өнеркәсіп жүйесіне қажетті
жылдамдықта жұмыс істеп, ZigBee өте үлкен қашықтықта дабылды тарата
алады (90 м мен 40 км бөлме ішінде көрші түйіндер арасында), энергияны аз
тұтынады, ақпаратты сенімді және қауіпсіз таратады .
ZigBee технологиясының ерекше қасиеті ұяшықты (mesh)
топологиясымен сымсыз желі құра алады, ол автоматты түрде
ретрансляциялайды және мәліметтерді бағыттайды, егер жойылған нысан
автоматтандырылған болса тікелей басқару терминалын көрмейді,онда
байланыс арнасы желінің көрші түйіндері арқылы жүргізіледі.
25
1.3 К е с т е - Өнеркәсіптік автоматизациядағы ZigBee-дің артықшылығы
ZigBee желiсінде жұмыс iстейтiн құрылымдар кiрiстiрiлген
бағдарламалық қамтамасыз етудің арқасында қоректену көзiн қосқанда өздерi
бiр-бiрiн тауып, қалыптастырады, ал егер желi түйiндердiң қайсыбiрлері істен
шығу жағдайында немесе қитық пайда болып жатса ол хабар беру үшiн жаңа
маршруттар орнатуға мүмкіндігі бар. ZigBee технологиясы "нүкте-нүкте"және
"жұлдызша" қосылу типтерін, сондай-ақ "ағаш"және "кеуек желi" (Mesh
желiлері) қолдану топологиялары бар күрделi желiлерді iске асыра алады.
ZigBee құрылымдарының қамту радиусы өте көп параметрлерге тәуелдi
болады, бiрақ ең алдымен қабылдағыш және хабарлағыштың қуатының
сезгiштiгiнен тәуелді. ZigBee желiсiндегi түйiндер арасындағы қашықтық ашық
кеңiстiкте жүздеген метрлерден бірнеше километрлерге дейін жетедi, ғимаратта
ондықтармен немесе жүз метрлермен өлшенеді. Қатынастардың
ретрансляциялану есебiнен желiнiң ұзартылуы iске асатындықтан, ZigBee
таратылу аймағы түйiндер арасындағы қашықтыққа қарағанда едәуiр кеңiрек
[5]. ZigBee құрылымдары желiлердi өз алдына құрастырады, қатынас
ретрансляцияларын қолдайды, AES-тың хаттамасы бойынша берiлетiн
мәлiметтердiң бүтiндiгiн тексеруi бар мәлiметтер
дестесiн тапсыруын
кiрiстiрiлген хаттама және криптоқорғаулармен болады.
Тұтынушыға желі ішінде мәліметтермен алмасуын жүзе асыруда уақыты
мен ресурсын шығындатпау үшін дайын шешімдер ұсынылады (1.4 кесте).
26 Артықшылығы
GSM
Wi - Fi
Bluetooth
Zigbee
Рұқсат етілген
қуаттағы әрекеттің
алыстығы
Тұтас
мәліметтік
жабынды
10...100 м
Slave пен
мастер
10...100 м
Slave пен
мастер
90...4000 м
көршілес
желілік
түйіндер
арасы
Желілік түйіндер
арасындағы
мәліметтердің
автоматты
ретрансляциясы
Қажет емес
-
жұлдыз
-
жұлдыз
+
mesh
Үлкен өлшемді
желілерге қолдау
көрсету
Кез-келген
нүкте саны
256 нүктеге
дейін
7 нүктеге
дейін
65536
нүктеге
дейін
Аз энергия тұтыну
-
-
+
+
Арзан орындалу
-
-
+
+
Ақысыз трафик
-
+
+
+
1.4 К е с т е - ZigBee-модемінің AnCom типінің артықшылығы
AnCom мүмкіндіктері
Желінің жұмысын
күшейту
Модемнің қосылу
қадағалау
Нысанды
автоматтандыру
жағында
интерфейстердің
стандартизациясы -
бірізді құрал
интерфейстеріне модем-
бағыттауыштарына
қосылуы
Нысанды
автоматтандыру жағында
интерфейстердің
стандартизациясы -
датчик пен реленің
модем-
бағыттауыштарына
қосылуы
Басқару терминалында
интерфейстердің
стандартизациясы -
координатор модеміне
қосылу
Жойылған нысандарға
БҚ (ПО) басқару
терминалы арқылы
қатынау нүктесін
ұйымдастыру
Түсініктеме
− Желінің жұмысын күшейтетін бағдарламалық
қолдау технологиясы
− Күйге келтірілген, желіге енгізілген және
жұмысқа дайын модем-бағыттауыштар
(автоматтандырылған нысанға қосылу үшін) және
модем-координатор (басқару терминалына қосылу
үшін);
− Желіге қосымша күйге келтірулер және жаңа
модемдерді енгізуде технологиялық жинақ
қосымшалар қолданылады
− Контроллерге, корректорларға және RS-232CRS-
485 интерфейсі бойынша өлшеу құрылғылары;
− Анық байланыс арнасы;
− Modbus RTU қолдау
− Дискретті датчиктерге - өрт күзетінің дабылы;
− Аналогты датчиктерге - қысым, температура
т.с.с. (аналогты өлшеу қуаты 0...2 В, ток үшін
4...20 мА);
− Релені басқару;
− Реледатчиктің шығыс қорегі, кірістердің
жағдайын басқару және талдаумодем шығысы
Modbus хаттамасы бойынша
− USB бойынша (конвертор арқылы) ДК
диспетчеріне немесе серверге;
− RS-232CRS-485 интерфейсі бойынша басқару
контроллері;
− құрғақ контакт атты кірістер арқылы басқару
релесіне
− Автоматтандырылған нысан интерфейсінің (RS-
232CRS-485) мекендік қатынау нүктесі сонымен
бірге аналогтыдискретті кірістері мен модем-
бағыттауыштарының шығыстарын қамтамасыз ету;
− Соның бірі SCADA, ПО диспетчерлік жағынан
ДК диспетчері немесе (ОЖ Windows) серверінде
бөлінген TCP немесе COM порттары арқылы
AnCom Server RM серверлік коммуникациялық
бағдарламалық жинағы арқылы өтеді;
27
1.4 кестенің жалғасы
1.5 Сымсыз сенсорлық желінің архитектурасы
Жоғарыда көрсетілгендей, көршілес сенсорлардың саны көп болған
сайын, желі өте үлкен дәлділікке және сенімділікке ие болады. Осыған
байланысты сенсорлы желілер құрылған кейбір жерлерде, сенсорлар өте үлкен
28 ZigBee желісін құруда
әртүрлі нұсқаларды
− ПО диспетчерлік жағынан автоматтардырылған
нысанға мекендік қатынау нүктесі (ОЖ Windows);
− Автоматтандырылған нысандарда басқару
контроллеріне Modbus RTU бойынша мекендік
қатынау нүктесі (Master --1...32 Slave, үздіксіз
дестелер 255 байтқа дейін);
− Басқару контроллерінен автоматталған нысаннан
мәліметтерді ретрансляциялауын кең жолақты
түрде тарату (үздіксіз дестелер 84 байтқа дейін);
− Екі арналы конттактілердің мекен қайталағыш
жағдайы (Master --1...32 Slave)
ZigBee Pro
стандартының толық
функционалды модулін
қолдану
− Үлкен көлемді желінің өрістетуінің
қарапайымдылығы;
− Модемдер арасында дабылды тарату қашықтығы
90 м, ал бөлме ішінде 4 км құрайды;
− Желі ішінде мәліметтерді автоматты түрде
ретрансляциялайды
Өнеркәсіпте орындауы
− DIN тақтайшасына бекітіледі;
− Сыртқы антеннаны қосу (соның ішінде
антивандалды);
− Жұмыс кезіндегі жарық диодының индикациясы
және желілік белсенділігі;
− Жұмыс температурасының диапазоны : -40...+70
°C
Орнатылған біріншілік
қорек адаптері
− ~ 85...264 B, = 110...370 B;
− Немесе =9-36 B
Желіге аймақтық
жойылған басқару
терминалынан модем-
координаторға шлюзды
қосу (міндетті емес)
− RS-232CEthernet шлюзы ZigBee модем-
координаторын және желіге кәсіпорынның локальді
роутерын қосады; ZigBee желісіне жойылған
басқару терминалына қатынау нүктесі Ethernet
технологиясының көмегімен іске асады;
− AnCom RM модемі GSM түріндегі шлюз ZigBee
модем-координаторына қосылып, басқару
терминалында GPRSInternet арқылы байланыс
орнатады (ДК немес сервер), ғаламторға косылулы
(статикалық көпшілік IP);
тығыздықпен және үлкен мөлшерде орналастырылуы қарастырылған. Бұл желі
алныған ақпараттарды жіберу үшін ортақ пайдаланудың байланыс желiлерi
қосылуы тиіс. Әдетте, бұндай қосылулар қорғанысты қамтамасыз ететін шлюз
(sink) арқылы жүзеге асады. Айтып кететін жайт, шлюз сенсор сияқты емес,
керісінше тұрақты (қоректену көзі мен ресурстарына қарағанда) желілік түйін
болып табылады. Сонымен қатар, ақпараттар өңдеу үшін серевер мен қатар
жекеленген қолданушыларға да жіберіле алады (1.6 сурет). Бұл айтылғандар
көлемі жағынан үлкен трафиктердің пайда болуын ғана күттірмейді, сонымен
бірге ортақ пайдаланудың байланыс желiлерiн тиімді пайдалануды
қарастырады. Ортақ пайдаланудың байланыс желiлерi қазіргі уақытта басынан
бері дестелік болып келетін, келесi ұрпақтың байланыс желiлерiн (NGN - next
generation network) жасау жолында дамуда. Байланыс желiлерiнiң келесi
ұрпағының дестелік табиғаты, оның қолданушыларына кез келген қызмет
көрсете алады, оның ішіне сенсорлы желілердің қызметі кіреді.
1.6 Сурет - Мониторингтің блок-сұлбасы
Сенсорлардың басты ерекшелігі болып олардың кішігірім өлшемдігі және
төмен өзіндік құндығы, соған байланысты сымсыз телеметриялық мәліметтерді
жіберу кезінде және желіні құрастыру кезінде көп мөлшерде қолдануға болады.
Сол кезде мәлімет жіберу кезеңді түрде болады, яғни бір құрылғыдан екінші
құрылғыға , ал мәлімет жіберудің маршруты автоматты түрде болады. Яғни
желі бойынша соңғы жіберілген мәліметтер жақын арадағы мәліметтер
түйінімен бірлесіп шлюзге жіберіледі, ал болса шлюз серверге қосулы болады.
Егерде бір немесе бірнеше түйін істен шықса,онда желінің құрылымы
автоматты түрде өзгереді, нәтижесінде барлық жұмыс істеп тұрған
сенсорлардан ақпараттың шлюзге жеткізілуі қамтамасыз етіледі.
29
1.7 Сурет - Сенсорлы желінің сұлбасы
1.8 Сурет - Мониторинг жүйесін қолданудың үлгілік архитектурасы
30
Әрине, өте үлкен мөлшердегі сенсорлардан тұратын сенсорлы желі
жіктелген болуы тиіс. Себебі, жіберіліп отырған ақпараттың үлкен көлемі,
шлюзға жақын оргаласқан түйіндердің сенімділігін төмендетеді. Күрделі
сенсорлы желі бірнеше кластерлерге бөлінеді. Әр кластердің тұрақтылығы
жағынан сенсорларға қарағанда жоғары, ал шлюзға қарағанда төмен болатын
басты түйіні болады.
Сенімді және тиімді сенсорлы желілерді құру күрделі тапсырма болып
есептеледі. Ол үшін жұмыс істеу қағидаларымен байланысты негізгі
есептеулерді ортақ келісімдер арқылы шешу керек еді. Соның нәтижесінде
сенсорлық желілер эволюциясы жүзеге асты. Солардың ішінде қол жеткізген
жетістіктері:
1. Істен шығу кезіндегі тұрақтылық. Белгілі бір бір желіге жататын бір
сенсор немесе сенсорлар тобы батареяның өмір сүру уақытының аяқталуына
байланысты немесе физикалық жойылуна байланысты істен шығуы мүмкін.
Алайда, бұл жағдай сенсорлы желінің жұмысына әсерін тигізбей, үлкен
ықтималдылықпен ары қарай өз функциясын атқарып, қажет ақпаратты
жеткізіп отыру керек.
2. Масштабталуы. Бүгінгі таңда сенсорлы желілердің көлемі жүздеген
түйнідермен шектеледі, алайда, жақын арада мыңдаған және жүз мыңдаған
түйіндерге деген сұраныс туатындығы анық. Сенсорлардың санын айтарлықтай
арттыратын болса бағыттау таблицаларының жүктелуіне, сенсордың жұмысын
тоқтатуға және сенсорлық түйіннің істен шығуына әкеледі.
3. Топология. Сенсорлы желінің топологиясының өзгеруі - жұмыс істеп
тұрған желіге жаңа сенсорды қосқан уақытта, немесе бір сенсор істен шыққанда
және егер сенсор қозғалмалы болса жүзеге асады.
4. Аппаратты қамтамасыз етудiң шектеулерi. Жоғарыдағы кестеден
байқағанымыздай, сенсорларды кең коммерциялық қолдану үшін бірнеше
жылдың ішінде кішкентай көлем ең маңызды талаптардың бірі болып
есептелді. Бірінші болып сұранысқа енетіндері енгізілгендер және
импланттанатындары. Аппараттық бөлігінің көлемі мен салмағының төмендеуі
потенциалды қосымшалар санын артыруға септігін тигізеді.
5. Сымсыз интерфейс. Көпқадамды сенсорлы желілердегі сенсорлар
ақпаратты жіберу үшін әр түрлі сымсыз технологияларды қолдануы мүмкін.
Сенсорлы желілер тиімді жұмыс атқару үшін спецификалық сипаттамалары бар
стандартталған сымсыз технология қажет.
6. Энергия тұтынуы. Сенсор өзінің көлеміне байланысты салыстырмалы
шектелген қоректену көзімен жабдықталған болуы мүмкін. Кейбір сенсорлық
желілердің қосымшаларында, мысалы, жаудың тылында тактикалық
есептеулерді шешу кезінде, сенсор қызмет көрсетілмейтін құрылғы болып
табылады және қоректену көзін ауыстыру тіпті мүмкін емес. Әр сенсор
терминалдың және өтпелі түйіннің қызметін атқарғандықтан, қоректену көзінің
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
6
7
8
АҢДАТПА
Берілген жобада ұсынылған тақырыпқа сәйкес жалпы биік ғимараттардың
қауіпсіздігін қамтамасыз ету мақсатында ZigBee сымсыз технологиясын
қолдана отырып сымсыз датчиктерді орнату және оларды басқару мен
мониторинг жүргізу қарастырылды.
Жобада сымсыз желі жұмысының теориясы, құрастыру қағидалары мен
сымсыз желінің жұмыс істеу ерекшеліктері, қолданыстағы технологияның
түрліліктерінің мәселелері қарастырылған, сондай-ақ 802.15.4 стандарты
негізінде желінің таңдауы және оны іске асырудың негіздемесі жасалған.
Техника-экономикалық бөлімінде желінің ұйымдастыруына бөлінетін
капиталдық шығындарына есептеу жүргізілген. Одан басқа, өміртіршілік пен
еңбек қауіпсіздігі мәселелері қарастырылған.
АННОТАЦИЯ
В данном проекте,
согласно предложенной теме, рассмотрена
возможность управление и мониторинг сети на основе беспроводной
технологии
ZigBee
для быстрого реагирования в целях обеспечения
безопасности высотных здании.
В проекте рассматривается теория, принцип построения и особенности
работы беспроводной сети, существующих разновидностей технологии, а также
выбор и обоснование реализации сети на основе стандарта 802.15.4.
В технико-экономической части был составлен расчет капитальных
затрат на построение сети. Кроме того, были рассмотрены вопросы
безопасности труда и жизнедеятельности.
ANNOTATION
In this project , according to the proposed topic, consider the possibility of
managing and monitoring network based on ZigBee wireless technology for quick
response to ensure the safety of high-rise building.
The project considers the theory , principles and features of a wireless network
technology extant species , as well as selection and justification of implementing
network based on 802.15.4 .
The feasibility of the payment was made the capital cost of building the
network. In addition, the issues of safety and life
9
МАЗМҰНЫ
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
1
1.1
Негізгі бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 9
Кеңселер мен өндірістік бөлмелерінде өртке қарсы қауіпсіздікті басқару
мысалында желіні талдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 9
1.2
1.3
IEEE 802.15.4 стандартының спецификациясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
ZigBee технологиясының өзге сымсыз технологиялармен салыстырмалы
сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . Ошибка! Закладка не определена.8
1.4
1.5
1.6
ZigBee технологиясын өнеркәсіпте қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 21
Сымсыз сенсорлық желінің архитектурасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..25
Сымсыз сенсорлы желінің
ұйымдастырылуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...Ошибка! Закладка не
определена.8
1.7
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Құрылғыны таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
Есептеу бөлімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 37
Ғимараттың қауіпсіздігін қамтамасыз ету ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 417
ZigBee құрылғысының қуат тұтыну есебіОшибка! Закладка не определена.9
Дабылдың әрекет ету аймағын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 41
Шуылды есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 45
Cызықты жоғалтуларды есептеуi ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 47
Дабылдың таралу моделі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 50
ZigBee жүйесінде мәлімет таратудағы дабыл - шуыл қатынасы мен өшу
деңгейін анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 54
3
3.1
3.2
3.4
4
4.1
4.2
4.3
4.4
Өмір тіршілік қауіпсіздігі ... ... ... ... ... .. Ошибка! Закладка не определена.8
Қауіпті және зиянды факторларды талдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 628
Кондиционерлеуді есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 64
Кондиционерді таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 728
Экономикалық бөлім ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 70
Жоба өзектілігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 70
Еңбек сыйымдылығы жұмысын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 71
Қызметкерлердің жалақысын есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 75
Интеллектуалды еңбек бағасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 80
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 82
Әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 83
Қысқартылған сөздер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 84
А Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 85
Ә Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 85
Б Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 86
В Қосымшасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 86
10
КІРІСПЕ
Қазіргі уақытта үлестірілген жүйелер біздің өмірімізге кеңінен кіру
үстінде. Қазiргi үлестiрiлген жүйелердiң негiзгi бағыттарының бiрi - сымсыз
сенсор желiлер болып саналады.
Сымсыз сенсорлы желі - радиоарналар арқылы өзара біріккен, сонымен
бірге атқарушы құрылғылардан және көптеген датчиктерден (сенсорлардан)
тұратын, бөлінген, өздігінен ұйымдасатын желі. Осындай желіде бір элементтің
екінші элементтің хабарлама ретрансляциясының арқасында қамту аймағы
бірнеше метрден бірнеше километрді құрайды.
Соңғы кезде сымсыз сенсорлы желілер (ССЖ) қарқынды даму үстінде.
Мұндай желілер аз қуатты қабылдау- таратқыштан, сенсорлар мен
микропроцессорлардан, көптеген кішігірім тұйіндерден тұрып, физикалық әлем
мен жаһандық желілерін бірге байланыстыра алады. Осы тақырыпта үлкен
ғылыми жұмыс ағындарын қамтамасыз ететін сымсыз сенсорлы желілер
көптеген ғалымдардың, зерттеу институттары мен коммерциялық ұйымдардың
назарын аударуда. Мұндай сенсорлы желілердің қолдануы, жүйелердің кең
мүмкіндігі мен зерттеуінде үлкен қызығушылықпен шартталған. Әртүрлі
қолданбалы аймақта бұрын байланыс линиясы ретінде өткізгішті қолданса,
сымсыз арнаны қолдану маңызды, бұл барлық мүмкін бола алатын жүйелерді
құрудың негізгі есебі болып саналады. Мәліметтерді жинау, басқару және
автоматтардырудағы өте маңызды сұрағы, берілген жүйелердегі сымсыз
байланысқа өтудегі, желідегі құрылғылардың санының жүзден мыңға дейін
жетуінде.
Кейбір жағдайларда технологиялық немесе ұйымдастыру себептерінен
сымды желілерді өткізу мүлдем мүмкін емес. Осындай жағдайларда сымсыз
байланыс көптеген қиындықтарды шешеді. Қозғалыстағы және айналмалы
нысаннан (конвейерлерден, құлтемірлерден), сонымен қатар жоғарғы
қуаттылықта болатын және гальваникалық шешімдерді талап ететін
нысандардан мәліметтерді беруге қабілетті. Жарылыс пен қауіпті өрт кезіндегі
шарттар ажырамалы қосылыстарды жоюда жұмыстың қауіпсіздігін
жоғарылатады. Сондықтан сымсыз жүйелерде мәлімет тарату үлкен шеңбер
шешімі үшін аса тартымды көрінеді.
Сымды байланыспен салыстырғанда радиоарнаның сенімділігінің
төменділігінен, жоғары баға мен базалық элементтің жоғарғы энергия тұтынуы,
сонымен қоса орнату мен орнату нысанының жүйесін өзгертулерінде
қиындықтар тудыруы көп уақыт бойы сымсыз жүйені тәжірибеде қолдануға
қиындатты. Қазір сымсыз жүйеде стандартты хаттамалар басқаруын және
мәліметтердің таратуын қолдайтын бағдарламалық қамсыздандырулардың
өркендеуі, сонымен қатар радиомодульдер мен модемдердің және
микросұлбалар жиынтығының нарықта пайда болуының арқасында кішігірім
11
радиуста желінің әрекет етуі сымсыз технологияның нәтижесінде мәліметтерді
жинау, басқару және автоматтандыру шынайы жүзеге асты.
Жеке алғанда сымсыз сенсорлы желілер әуеғарыш жүйесіндегі
құрылғылардың істен шығуын және ғимараттарды автоматтандыру жүйесі үшін
қолданылады. Өзінің өз бетінше ұйымдаса алу қабілеті мен дербес және бұзылу
төзімділігінің жоғарылығының арқасында, бұндай желілер қауіпсіздік жүйелері
мен әскери қолданбаларында белсенді қолданыста. Сенсорлы түйіндердің
интегралды сұлбалармен үйлесімділігінен биологиялық сенсорлардың өмірге
келуінің арқасында медицинада денсаулықты бақылауда сымсыз сенсорлы
желілер қолданыс тапты. Сымсыз сенсорлы желінің кең тараған аймағы
қоршаған орта мониторингі мен тірі жәндіктер үшін. Осыған орай, дипломдық
жобада тақырыбы ретінде сенсорлы желі негізіндегі жүйелерді дистанционды
мониторингтеу және бақылауды талдау алынды.
12
1 НЕГІЗГІ БӨЛІМ
1.1 Кеңселер мен өндірістік бөлмелерінде өртке қарсы қауіпсіздікті
басқару мысалында желіні талдау.
Бүгінгі таңда өрт миллион теңгеге жуық мүлікті жояды. Осымен қоса өрт
адам өлімінің себепкері. Мәселенің бәрі ұсынылған қауіпсіздік жүйелерінің
ескіруінен болады, осы кезде нысанды бақылаудың бар жауапкершілігі
күзетшіге жүктеледі. Төтенше жағдай департаментінің ақпараты бойынша
былтыр Алматының өзінде 900-ге жуық өрт тіркелген. Биылғы жыл бітпей-ақ
Оңтүстік астанамыздағы ірі өрттердің саны елуден асты. Осы кезеңді 2012
жылмен салыстырғанда зардап шеккендердің саны екі есе өскен. Негізінен өрт
сауда кәсіпорындары мен кеңселерде, қойма мен өндірістік бөлмелерде болады,
оның арты үлкен шығынға ұшыратады. Санақ бойынша елімізде жыл сайын
өрттен төрт-бес миллиард соммасында материалдық құндылықтар жойылады
екен. Осы жылы екі жарым миллиард теңгені құрайтын мүлікті зақымданудан
сақтап қалды. Егер сол мүліктер жойылған сәтте шығындар бизнес
компаниясына жүктелер еді. Бірақ жалпы бұзылулардан өрт сөндірушілер бір
нәрсені сақтап қалған күннің өзінде кәсіпкерлер бұрынғы деңгейіне келе
алмайды. Өрттің салдарынан көптеген компаниялар жұмысын тоқтатты.
Алайда төтенше жағдай департаментінің пультына дабыл түскен сәттен бастап
оқыс оқиғасы болған жерге дереу бет алады. Бірақ осы жерде бірнеше
қиындықтармен қақтығысады. Біріншіден, үлкен заманауи қаланың қиындығы
- жол кептелісі, автотұрақта орын болмауы, кіру жолдарының бос болмауы.
Екіншіден, адам факторлары, жол мен кептеліс қиындығы орын алмаса,
бизнесмендер компьютердің орнына күзетшілеріне сеніп тапсырады. Көбісі
осындай тәсілге жүгінбейді, себебі оның арты үлкен шығынға айналады.
Бұл мәселенің мәні әдетте ғимараттар автономды өрттің дабыл
құралдарымен жабдықталған, алайда осындай тәсіл өркениетті елдерде ескірген
болып саналады. ҚНжЕ сәйкес дабыл ғимараттарда орнатылып, жалын мен
бөлменің түтінделуін белгілесе, осы жерде дыбыстық дабыл естіледі.
Қызметшілер дабылды ести салуымен дереу өрт қызметіне хабарлау керек.
Бірақ осындай жағдайда адамдар сасқалақтап, дұрыс шешімдер жасай алмайды.
Мысал келтіретін болсақ, дереу өрт қызметіне хабарлаудың орнына өмірлеріне
қауіп келтіріп, өз бетінше өрт ошағын тауып және өртті сөндірмекші болады.
Кейбір жағдайларда өртенген ғимаратта ешкім болмауы да мүмкін, мысалы,
күзетші кейбір себептермен жұмыс орнын тастап немесе ұйықтап қалуы
мүмкін. Басшылығының келісуінсіз ұйым қызметкерлері өз бетінше шешім
қабылдап 101 қоңырау шала алмайды. Осының салдарынан уақытты
шығындап, өрт сөндірушілер өртеніп болған нысандарға бірақ жетеді.
13
Заманауи техникалық-ұйымдасушылық шешімдер адам факторларын
жоюға ат салысады. Бұл өртті бақылау жүйесі, ол өртті анықтайтын сымсыз
жүйе болып табылады. Ең басты ерекшелігі - өртеніп жатқан ғимарат жайлы
дабыл жауапты қызметшіге барып қана қоймай сонымен бірге өрт қызметіне
барады. Осындай тәсілмен адамдардың қателіктерін алдын алады. Жұмыс істеу
тәсілін анығырақ айтсақ, дабыл автоматтандырылған датчиктерден ұйымның
бақылау пультіне беріледі. Құрылғы дабылды өңдеп, қай нысаннан түскенін
анықтап, жақын маңдағы өрт бөліміне таратады. Өртену және ғимарат жайлы
(кіре беріс жолдары, қабаттар саны, қызметкерлер саны және т.с.с.)
мәліметтерді қайта жібереді. Айтылған кезеңдерді талдау бірнеше секундтарда
жүзеге асады. Мониторинг жүйесінің өзінде қиындықтар болады. Мысалы,
кәсіпорын және электр энергетика ұйымы, тұрмыстық коммуналдық
шаруашылық қызметкерлері, инженерлік коммуналдық ғимараттарға қызмет
ететін арнайы төтенше жағдайлары өрт және қорғау саласында ақпараттың
жедел жетпейі мен өңделмеу мәселерімен соқтығысуы мүмкін. Телеметриялық
ақпарат әртүрлі датчиктерден келіп түседі (қысым, температура, ылғалдылық
және т.б) нақты уақытта жиналып, өңделуі керек және ұялы байланыс
құралдарына таратылу керек. Берілген жағдайда жүйені өндіруде мақсатса сай
сымсыз телекоммуникациялық құралдар пайдаланылады. Бұл үрдіс ақпаратты
қабылдау мен өңдеуді жылдамдатады. Әртүрлi ақпарат жинау жүйесінде
деректердi тарату үшiн сымсыз технологияларды пайдаланудың ерекшелігі
басқару құрылғылар құнның төменділігі мен жоғары сенiмдiлiк қасиетімен
тартымды. Бұл шешім индустриалды жүйелерде RS-232, RS-485 стандартты
интерфейстерді қолдануда байланыстың өткізгішті түрін алмастыра алады.
Сымсыз технологияны қолдануда кәбелді қосылуларды өткізуден бас тарта
алады, иілгіштігін жоғарылатып қана қоймай мобильді жүйені басқару
мүмкіндігін қамтамасыз етеді.
Қолданбалы индустрия үшін сымсыз технологияны таңдауы,
телеметриялық ақпарат жинау негізінің талаптары - желілік стандарттың
ашықтылығы, желілік құрылғыларды өндірушілердің толық масштабты
қолдауы, әртүрлі өндірушілердің құрылғыларының үйлесімділігі, ұзақ
болашағының қолжетімділігі, үнемділігі, жүйеде әртүрлі желілік архитектура
құру мүмкіндігі, қарапайым қосылуы және қолданылуында.
Осыдан келе, жоғарыда айтылған мәселелерді шешу немесе жетілдіру
үшін дипломдық жұмысымда ZigBee сымсыз технологиясын енгізуді
ұсынамын. Кейін жұмысымда заманауи WPAN технологиясы жайлы айтылады,
ол жоғарыда айтылған ZigBee технологиясы мониторинг жүйесінде сымды
байланысты алмастырады, анығырақ айтсақ кеңсенің немесе өндірістік
бөлменің күзеті сымсыз жүйесінің негізінде қолданылады.
14
1.2 IEEE 802.15.4 стандартының спецификациясы
Стандарттың кез-келгені сымсыз мәліметтермен алмасу интерфейсі
болсын я болмаса сымсыз байланыс болсын, өз ортасында тапсырмаларын
шешуге арналады. Мысалыға WiFi, орта қашықтықта жоғары жылдамдықпен
ақпаратты, видео және аудио тарата алады, WiFi сымсыз құрылғылардың
қолжетімділігі корпаративті және Интернет желісіне арналған. Сонымен бірге
Bluetooth стандарты аз қашықтықта ақпарат таратуға көзделген. Жылдамдығы
жағынан WiFi жетпейді, ол ағынды аудио және видео таратуға арналған,
мысалы, үй кинотеатрының компонеттері арасы үшін. ZigBee көмегімен
шешілетін негізгі тапсырмасы
-
орта қашықтықта шағын көлемдегі
ақпараттарды тарату. ZigBee спецификациясы осы стандарттың қабылдау және
таратқыш құрылғысы аз энерго тұтыну қажет. IEEE 802.15.4 және ZigBee
сапалы ағынды аудио және өте анық видеоларды беруге болмайды, бірақ
күрделі сұлбалы мониторинг пен әр саладағы тәжірибелік баруға болады. IEEE
802.15.4 құжаты желідегі жиіліктерді, аппараттық ерекшеліктерді және басқа да
ерекшеліктерді бейнелейді, осы уақытта ZigBee құжаты желілік басқару
прцесін, қауіпсіздік параметрлерін, үйлесімділікті, құрылғы профильдерін
қамтиды . IEEE 802.15.4-2 желісінің ерекшелігі ұялы және тәжірибелік кез
келген топологияны жүзеге асыра алады.
ZigBee хаттамасының стегі ақпараттарды таратуда ашық жүйелердегі OSI
(Open System Interconnection) жеті деңгейлі иерархиялық хаттама моделімен
құралған. Стек IEEE 802.15.4 деңгей хаттамасын құрайды, ол байланыс
арнасын, желілік бағдарламалық деңгейін және қосымшаларды қолдайтын
деңгейлер, Альянса ZigBee арнайы спецификасын анықтайды . Өз кезегінде,
ZigBee одағы ұсынған, ZigBee сымсыз ақпарат тарату технологиясы өзге
модельдердің өзара әрекеттесу деңгейін анықтайды. Оларға жататындар:
желілік деңгей, қауіпсіздік деңгейі, қосымшаның құрылымының деңгейi және
қосымшаның профилiнiң деңгейi. ZigBee сымсыз ақпарат тарату
технологиясының желілік деңгейі құрылғылардың табылуы мен желінің
кескініне жауап береді және үш желі топологияларын қолдайды [1].
IEEE 802.15.4 архитектурасы стандартты жеңілдетуге арналған деңгей
қатарларын анықтайды. Әр деңгей стандарттың бір бөлігіне жауапты және
жоғарыда көрсетілген деңгей қызметтерін атқарады. Деңгейлер арасындағы
интерфейс берілген стандарттағы логикалық байланысты анықтайды (1.1 сурет,
1.1 кесте).
15
1.1 Cурет - ZigBee хаттамасының құрылымы
Стандарт ақпарат таратудың келесі жылдамдықтарын анықтайды: 250
Кбитс, 100 Кбитс, 40 Кбитс және 20 Кбитс. Радиоарна арқылы ақпараттың
таратылуы және қабылдануы PHY физикалық деңгейде жүзеге асады. Ол
жұмыстық жиіліктік ауқымды,модуляция түрін, максималды жылдамдықты,
арна санын анықтайды: O-QPSK - 2,4 ГГц (16 арна, 250 Кбитс) ауқымына
арналған ығысуы бар квадраттық фазалық манипуляция, BPSK - 915 МГц (10
арна, 40 Кбитс) және 868 МГц (1 арна, 20 Кбитс) жиілігіне арналған екілік
фазалық манипуляция. PHY деңгейі қабылдағыш - таратқыштың белсендіруін
өшіруін, жұмыстық арнадағы қабылданған дабыл энергиясын детектрлеуді,
ақпарат дестесін қабылдау кезінде байланыс сапасын белгілеуді және CSMA-
CA (тасымалдаушыны бақылайтын және коллизияның алдын алатын ортаға
көптік рұқсат хаттамасы) хаттамасын іске асыруды қамтамасыз етеді [2].
802.15.4 стандарты бұл - физикалық радио (радиотаратқыш-қабылдағыштың
микросызбасы); ал ZigBee - қауіпсіздік және маршруттау қызметтерін
қамтамасыз ететін логикалық желі және бағдарламалық стек екенін түсіну
маңызды.
802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі OSI эталондық моделінің
екі төменгі
-
физикалық (PHY) және арналық (MAC) деңгейлерін
ұйымдастыруға арналған. Бұл қабаттар жоғарғы қабаттарға қызметтерін
16
ұсынады (1.2 сурет). Қабаттар логикалық байланысты интерфейс арасында
анықтау қызметін атқарады. Физикалық деңгей екі қызмет ұсынады: ақпаратқа
физикалық қызмет көрсету және физикалық басқару. Деңгейдің есебі -
радиотаратқыш - қабылдағыштың активация мен дезактивациясы , арнаны
таңдау, энергия деңгейін (energy detection) анықтау және физикалық ортадан
пакеттердіі қабылдау. MAC деңгейі келесі қызметтерді ұсынады: арналық
деңгейдің ақпаратқа қызмет көрсету және басқаруын. Деңгейдің есебі -
дабылдық басқару, арнаға рұқсат алу, GTS басқару, дестелерді бекіту,
дестелердің жеткізілуін мақұлдау, құрылғылармен қосу (ассоциация) және
өшіру (дизассоциация), сонымен қоса механизмнің қауіпсіздігін қамтамасыз
ету.
1.2 Cурет - 802.15.4 стандарты сымсыз сенсорлы желідегі OSI эталондық
моделінің деңгей архитектурасы
Архитектураны айта кетсек, бүгінгі таңда сенсорлардың аппараттық
бөлігіне деген талаптар төмендегіше жинақталған: орталық процессордың
жиілігі 20 МГц тен төмен емес, оперативті жадының көлемі 4 КБ төмен
болмауы керек, жіберу жылдамдығы 20 Кбитс төмен емес. Аппаратты
жабдықтандыруды оңтайландыру сенсордың көлемін кішірейткенімен, оның
бағасын арттырады.
17
1.1 К е с т е - 802.15.4 стандартының спецификациясы
ZigBee технологиясы Wi-Fi немесе Bluetooth сияқты мәлiметтiң үлкен
көлемдерiн таратуға арналмаған. Мысалы, энергиятұтынуы, бағасы және
сенiмдiлiгі бойынша биiк көрсеткiштер керек жағдайда, датчиктер
көрсетулерiнің көлемi он байттан сирек асатын мәліметтерге жоғарғы
жылдамдықтың қажеті жоқ. ZigBee құрылымдарының көпшiлiгi келесi
алгоритм бойынша жұмыс iстейдi : құрылым уақыт түгелдей дерлiктi ұйықтап
жатқан күйде қуат жинағының ұтымды тәртiбi қамтамасыз етеді. Жаңа
мәлiметтер немесе құрылымның кезектi байланыс сеансының уақытында iске
қосылады, мәлiметтер жылдам беріледі және төмендетiлген энергиятұтыну
тәртiбіне қайтадан өтедi. Сонымен бiрге бiр үлгiдегi уақытша тоқтаулар арнаға
рұқсат алуға 15 мс, ұйықтап жатқан күйден белсендi өткелге өту 15 мс, желiге
жаңа құрылымның қосуға кеткен уақыт 30 мс-тi құрайды. Осылайша
батареялардың қызмет мерзiмiн 10 жылға дейiн созуға болады және ол
қосымшаның түрiне жұмыс циклының ұзақтығына байланысты, берілетін ток
мөлшері 15...30 мА құрауы мүмкін, ал ұйықтап жатқан күйде - 2 мА кем
болады. Нәтижеде, үн қосу бойынша тоқтаулар соншама аз, адам бөлмеге кiрiп
және ZigBee сымсыз байланысының қосқышын қосқан кезде жарық лезде пайда
болғанын тiптi байқамай калады. Бұл кезде Bluetooth желісіне қосылу уақыты 3
с құрайды [3].
Желіде бірегей қасиеттері мен датчиктер жайлы ойлар Smart Dust
компаниясының қызығушылығын шақырды, Ember, Freescale Semiconductor,
18 Стандарт
TM
802.15.4 ZigBee
Жиілік
868 МГц
915 МГц
2,4 ГГц
Арна саны
1-
102 МГц
165 МГц
Таралу аймағы
Европа
Америка
Бүкіл әлем
Максималды
жылдамдық
20 кбитс, BPSK
40 кбитс, BPSK
250 кбитс,O-Q
PSK
Шығыс қуаты
0 dBm (1 мВт)
0 dBm (1 мВт)
0 dBm (1 мВт)
Алшақтығы
10 - 100 м
Сезімталдығ
ы
- 92 dBm
- 92 dBm
- 85 dBm
Стек өлшемі
4 - 32 кбайт
Батареяның
жұмыс жасау
мерзімі
100 -ден 1000-ға дейін
Желі өлшемі
65536 (16-битті мекен-жай, 64-битті мекен-жай)
Honeywell, Invensys, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips Electronics және
Samsung фирмалар консорциумы ZigBee альянсына кіреді, аз қуат тұтынумен
сымсыз желі мониторингі және басқару ашық стандарт негізінде орын алды.
Бүгінгі таңда консорциум құрамына Analog Devices, Atmel, Cisco Systems,
Crossbow Technologies, Dust Networks, LG, Microchip, Nanotron Technologies,
NEC, Oki, Omron, Texas Instruments 100- ден аса жүйелер, датчиктер, микросұлб
жасалап шығаруда. Альянска кіретін компаниялар ISM, (2,4 ГГц) жиілік
диапазонында істейтін, 15 - 20 м қашықтықта секундына бірнеше ондық бит
жылдамдығымен тарататын, сымсыз сенсорлы жүйенің бұйымы болатын IEEE
802.15.4 стандарты 2003 жылы қыркүйек айында шығарылды. Көптеген қызмет
көрсету салалары ( өнеркәсіп, көлік, коммуналдық шаруашылық, күзет)
сенсорлық желіні енгізуіне қызығушылық танытуда, тұтынушылар саны
үздіксіз өсуде. Үдеріс технологиялық қызметтердің күрделенуімен, өндірістің
өсуімен, жеке тұлғалардың сұранысының өсуімен, қорларды бақылаумен және
тауарлық - материалдық құндылықтарды қолданумен түсіндіріледі. Өнеркәсіпте
қолданылатын сенсорлы желідегі тұрғын -коммуналдық кешенде, үй
шаруашылығында, микроэлектрондық технологияның өркендеуімен жаңа
тәжірибелік тапсырмалар мен теориялық қиындықтар туды. Арзан сымсыз
сенсорлы құрылғыларды қолдануда параметрлерді басқара отырып, телеметрия
жүйесінде қолданатын және басқаратын жаңа аймақтар ашылды, солардың
қатарына:
− атқарушы механизмнің дер кезінде істен шығуын анықтау, мынандау
параметрлерді басқаруда: діріл, температура, қысым және т.б.;
− нақты уақыт режіміндегі мониторинг нысанындағы жойылған жүйеге
рұқсат алуды бақылау:
− мұражай құндылықтарын күзетуді қамтамасыз ету;
− экспонат есебін қамтамасыз ету ;
− автоматты түрде экспонатты тексеру;
− инспекцияны автоматизация және өнеркәсіптегі активтерге техникалық
қызмет көрсету;
− коммерциялық активтерді басқару;
− энергетикалық және қор сақтайтын технологиялар кешенін қолдану;
− қоршаған ортаның экологиялық параметрлерін басқару.
19
1.3 Сурет - ZigBee 802.15.4 технологиясының қолдану аймағы
802.15.4 ZigBee стандартының негізгі артықшылығы
-
оңай
қолдырылады және осындай жүйелерге қызмет көрсетеді. ZigBee
спецификациясы сымсыз дербес желіні оңайлықпен жаяды: сіз қораптан
құрылғыны шығарасыз, батареясын саласыз, екі құрылғыны бір-біріне
тақап,жасыл жарық диоды жанбағанша батырманы,пернелерін басасыз.
Осындай реттілікпен желіге екі құрылғыны біріктіресіз. ZigBee модулін
өндіруде берілген ұстанымдар арқылы кеңсе мен үйге арналған аспаптар жүйесі
орындалады. Нәтижесінде әр өндірушілердің ортақ құрылғыларын бір желіге
біріктіреді
ZigBee микросұлбалары және оларды қолдану аймағы
Бүгінгі таңда нарықта ZigBee модульдерінің және микросұлбаларының
кең түр-түрі келтірілген. Егер құрастырушы өз құрылғыларында айтылған
технологияларды қолданатын болса, онда ол ZigBee-ді іске асырудың кез-
келген сұлбалық тәсілін және арнайы элементтік базасын оңайлықпен таба
алады. Мысал ретінде DSP - процессоры және микроконтроллері бар басқару
20
және мәлімет жинау құрылғысын қарастыруға болады. Егер процессор
толығымен негізгі жұмысты жасаумен толы болмаса,онда оны ZigBee стегін
өңдеуге қолдануға болады. Осы жағдайда радиожиіліктік интерфейсті жүзеге
асыру үшін радиожиіліктік модемін ( трансивер) 802.15.4 қолданылады, ол тек
ZigВee - 802.15.4 хаттамасының төменгі деңгейін ұстанып, радиодабылдың
қабылдау - таратқыш функциясын атқарады. Микроконтроллер мен процессор
арасындағы мәлімет алмасу SPI стандарттық хаттамасы негізінде жүзеге
асырылады (1.4а сурет). Трансиверлердің қай түрі болмасын,олар 802.15.4
желісінің қарапайым және күрделі топогиясына қолдау көрсетеді
[4].Таратқыштың шығыс қуатын 14 дБм-ге дейін және қабылдағыштың
сезімталдығын 6 дБ-ге дейін жоғарылатуды Texas Instruments MC2590
антенналық күшейткіші арқылы жүзеге асыруға болады.
1.4 Сурет - ZigBee негізіндегі құрылғылардың құрылу нұсқалары
Айта кетсек, кейбір 2,4 - ГГц-ті трансиверлер (мысалға, Freescale MC
13201) 802.15.4 стандартына сай болып келмей және ZigBee құрылғыларына
қолдануға жарамсыз болады. Егер негізгі процессордың ресурстары ZigBee
стегін өңдеуге жеткіліксіз болса,арнайы жеке микроконтроллер қажет (1.4 б
сурет ). Бірақ бұл жағдайды өзгеше шешуге болады, ол үшін радиожиіліктік
бөлімді және процессорды біріктіретін микросұлбаны қолдану қажет.
Микросұлба ZigBee стегін өңдеумен қоса,басқа да тапсырмаларды орындай
алады (1.4 в, г суреттері).
21
1.3
ZigBee
технологиясының
өзге
сымсыз
технологиялармен
салыстырмалы сипаттамасы
Бүгінгі таңда сымсыз есептегіш желілерді құрастыруда кең тараған үш
түрлі стандарт бар:
IEEE 802.11 - Wireless Local Area Network (WLAN -- сымсыз
жергiлiктi есептеуiш желiлер);
IEEE 802.15 - Wireless Personal Area Network (WPAN -- сымсыз
дербес есептеуiш желiлер);
IEEE 802.16 - Broadband Wireless Access (BWA -- сымсыз кең
жолақты рұқсат).
Біздің алға қойған мақсатымыз әр сымсыз байланыстың стандарттарын
толық талдауда емес. Осы бөлімде негізгі ықылас WPAN желілеріне бөлінеді,
жеке алғанда ZigBee желісіндегі дербес сымсыз желілерінің ішіндегі ең жаңа
IEEE 802.15.4 стандартына. 802.11 және 802.16 стандарттары бұл жерде
салыстыру үшін көрсетілген (1.5 суретте көрсетілген).
1.5 Сурет - Сымсыз желілердің стандарттары
WPAN сымсыз дербес есептеуiш желiсi дербес компьютерлердiң
арасындағы кабелдiк қосулардың алмастыруы үшiн әдетте 15...20 метрден
артық емес радиуста жергілікті желі орнататын, сонымен қатар түрлі шеттегі
құрылғылар мен мутимедиялық құрылғыларды (КПК, принтерлер, факс,
сканерлер, стереожүйелер және т.б.) қосу үшін қолданылады. Алайда кейбір
22
WPAN желілері (ZigBee, Bluetooth) 100 м арақашықтығында жұмыс істей
алады. IEEE 802.15.1 стандарты осы шарттарды орындай алатын бірінші
стандарт болды. Стандарт Bluetooth vl.x-тың спецификациясында негiзделедi
және (MAC layer ) ортаға рұқсаттың деңгейі және (PHY layer ) физикалық
деңгейiн анықтайды. 802.15 отбасының кеңеюіне жасаған келесі бір қадамы,
802.11 және 802.15 құрылғы класстарының өзара әрекеттесуін қамтамасыз
ететін стандартты ойлап табуы. Бірақ көп ұзамай WPAN желілерінің аймағында
жұмыс істейтін құрылғылар үшін, Bluetooth технологиясының қамтамасыз
ететін жылдамдығы жеткіліксіз болып қалды. Енді ондаған және жүздеген
Мбитс өткiзу қабiлетi бар мәлiметтердiң сымсыз арнасын құруға мүмкiндiк
беретiн стандарттың (IEEE 802.15.3) өндiруiндегi қажеттiлік пайда болды.
Жоғарыда аталған стандарттар үлкен көлемді ақпаратты (дауыс, мәлiметтер,
видео) жоғары жылдамдықпен (1 Мбитс пен 200 Мбитс аралығындағы)
жіберуге өте қолайлы. Сол стандарттың негізінде жұмыс істейтін құрылғылар
автономды режимде (батареялар және аккумуляторлардан) 10-100 м дейінгі
қашықтықта қызмет көрсете алады. Бұл стандарттар бiз (компьютерлер, есептеу
желiлерін) күнбе-күн жұмыс iстейтiн құрылғылардағы өткiзгiш сымдарды
алмастыруға мүмкiндiк бередi. Алайда сырттай қарағанда елеусіз, бірақ өзінің
ерекшелітеріне байланысты ондай қосымшаларда жоғарыда айтылған
технологиялар жүз пайыздық тиімділікпен қолданыла алмайтын жүйелердің (әр
түрлі датчиктер, ақпарат жинау жүйелері және т.б.) жиынтығы бар. Осындай
мәселелерді шешу мақсатында WPAN төменгі жылдамдық желілері үшін IEEE
802.15.4 (ZigBee) стандарты өңделген болатын. Аз қашықтықтағы байланыс
үшін арналған датчиктердiң жиынына, микроконтроллерге және радиожиiлiктік
қабылдағыш-таратқышқа ие болатын (немесе басқа мәлiметтер көзі), әрекеттiң
аз радиусында істейтін сымсыз желiлер (WPAN-Wireless Personal Area
Network), құрылымдардың кеңiстiгінде таралған жиыннан тұратын сымсыз
жүйелерiнiң жаңа класы болып табылады. Көптеген WPAN желілердің негiзгi
міндеттеріне
-
өздiгiнен ұйымдасу және эксплуатация шартарының
өзгерістіріне бейiмделгiш болып келеді. Сондықтан, орнату үшін керекті
заттарды күшейту қажет: күйге келтіру және ары қарай пайдалану және ұқсас
желiні бақылап отыруы үшiн талап ететiн күштер минималды. Бұдан басқа,
түйiндердегі хабарлауларды ретрансляциялайтын қабiлеттiлiгi бар, (бөгеттер
немесе бөгеуiлдер, физикалық бұзылу және тағы басқалардың пайда болуы) әр
түрлi себептер бойынша жеке түйiндердiң орнықтылығын және таратушының
аз қуатының көмегімен жүйенiң жамылғысын түбегейлi ауданын қамтамасыз
етедi. Түйiндер сонымен бiрге мәлiметтердiң жеткiзуiнiң ұтымды
маршруттарын өз алдына анықтайды және олар желiнiң топологиясы
өзгергенде түзетедi. ZigBee802.15.4-ң негізгі артықшылықтарының бірі болып
орнатудың оңайлығы және осындай құрылғыларға қызмет көрсете алуы
саналады. Дербес сымсыз жазу ZigBee спецификациясының ерекшелігі: сіз
құрылғыны қораптан аласыз, оған батареясын орнатып керекті пернесін
басасыз. Содан кейін екі құрылғыны пернені басқан күйдебір біріне
жақындатып жасыл светодиот жанғанша ұстайсыз. Осылайша екі құрылғының
23
желіге қосылуы немесе тіркеуі жасалады, мысалы, жарық сондіргіштер арнайы
лампаға. Бұл принципті орындау ZigBee модульдерін жаңа аспаптарға және
кішігірім ғимараттар (үй, кеңсе) жүйесіне, өнеркәсіпке ендіру ұсынылады
(өнеркәсіптік зона, зауыттар). Сымсыз желілері стандарттарының салыстыру
мысалы төменде келтірілген (1.2 кесте).
1.2 К е с т е - Сымсыз желілер стандарттарын салыстыру
Сымсыз түйiннiң аппаратты қамтамасыз етуi және iшiнде торлық өзара
әрекеттесудiң хаттамалары жүйенiң пайдалануын ұзақ мерзiмнiң қамтамасыз
етуге арналған энергия тұтынуы бойынша автономды көз қоректенуiнiң
қолдануында оптимизациялаған. Режимге байланысты, сымсыз желiнiң
түйiнiнiң жұмыс уақыты бiрнеше жылдарға жете алады.
WPAN желiсінің артықшылықтары - таралған жиынмен, талдаумен және
мәлiметтiң берiлуiмен сабақтас қолданбалы есептердiң кең шеңбердегі шешiмді
тиiмдi қолдана алады :
-микроклиматты сүйемелдеуге арналған жабдықпен,
температура
мониторингімен, ауаның шығынымен, адамдардың қатысуын барлау және
басқару т.б.;
-жарықпен басқару т.б.;
-энергия жабдықтауымен басқару т.б.;
-пәтердегі газ, су, электр энергиясының т.б. жиыныдардың
есептеуiштерiнiң көрсетулерi;
24
1.4 ZigBee технологиясын өнеркәсіпте қолдану
Егер бүгін географиялық бөлінген нысандарға (контроллерге,
датчиктерге, өлшеу құрылғыларына) басқару терминалының қатынау нүктесін
ұйымдастыруды қажеттілігі туса, онда жалғыз, шынайы балама ретінде ұялы
байланыс желісі қолданылады. Ережеге сай басқару терминалдарына ғаламтор
желісіне қосылған сервер немесе дербес компьютер болып саналады, осы
уақытта жойылған нысандар арнайы өнеркәсіптік GPRS - модемдеріне
қосылып, GPRS - ғаламтор арнасы арқылы басқару терминалымен байланысты
қалыптастырады.
Екі жойылған нысан аймағының арасындағы тұрақты байланыс үшін
(радиоұзартқыш) мобильді операторының локальді желісі қолданылады, оған
екі нысан GPRS-модемдеріне қосылған .
Байланыс операторының жойылған аймаққа таралған нысандарға қатынау
нүктесі, дайын инфрақұрылымының арқасында мобильді операторларның
трафик ақысы төмен. Алайда автоматтандырылған нысандардың тығыз
орналасады, мысалы: зауыт айналасында, қоймаларда, порттар мен темір жол
станцияларында. Осы жағдайда трафик ақысын талап етпейтін меншікті
локальді (дербес) сымсыз радиожелілерді қолданады.Бұл жағдай біздің
күнделікті қолданатын қоршаған желімізге ұқсас, олар біз сияқты Wi-Fi
технологиясының көмегімен ноутбук, медиацентр мен коммуникатор,
теледидарды бір желіге біріктіреді. Сымды арналардан бас тартып әртүрлі
контроллер, датчиктер, өлшеу құрылғылары және басқару құрылғылары
арасында басқару терминалымен байланыстыруға болады.
Wi-Fi-ды Bluetooth секілді автоматтардырылған өнеркәсіп жүйесінде
қолдануға болады, бірақ коммерциялық, өнеркәсіптік және үй автоматика
жүйесінде сымсыз дербес бағытталған ақпараттық желілер бар. Бұл стандарт
IEEE 802.15.4 (ZigBee) деп аталады. Ортақ тұтынудағы ұялы байланыс
желісінен ZigBee айырмашылығы Bluetooth және Wi-Fi секілді дербес
радиожелі болып саналады. Автоматтандырылған өнеркәсіп жүйесіне қажетті
жылдамдықта жұмыс істеп, ZigBee өте үлкен қашықтықта дабылды тарата
алады (90 м мен 40 км бөлме ішінде көрші түйіндер арасында), энергияны аз
тұтынады, ақпаратты сенімді және қауіпсіз таратады .
ZigBee технологиясының ерекше қасиеті ұяшықты (mesh)
топологиясымен сымсыз желі құра алады, ол автоматты түрде
ретрансляциялайды және мәліметтерді бағыттайды, егер жойылған нысан
автоматтандырылған болса тікелей басқару терминалын көрмейді,онда
байланыс арнасы желінің көрші түйіндері арқылы жүргізіледі.
25
1.3 К е с т е - Өнеркәсіптік автоматизациядағы ZigBee-дің артықшылығы
ZigBee желiсінде жұмыс iстейтiн құрылымдар кiрiстiрiлген
бағдарламалық қамтамасыз етудің арқасында қоректену көзiн қосқанда өздерi
бiр-бiрiн тауып, қалыптастырады, ал егер желi түйiндердiң қайсыбiрлері істен
шығу жағдайында немесе қитық пайда болып жатса ол хабар беру үшiн жаңа
маршруттар орнатуға мүмкіндігі бар. ZigBee технологиясы "нүкте-нүкте"және
"жұлдызша" қосылу типтерін, сондай-ақ "ағаш"және "кеуек желi" (Mesh
желiлері) қолдану топологиялары бар күрделi желiлерді iске асыра алады.
ZigBee құрылымдарының қамту радиусы өте көп параметрлерге тәуелдi
болады, бiрақ ең алдымен қабылдағыш және хабарлағыштың қуатының
сезгiштiгiнен тәуелді. ZigBee желiсiндегi түйiндер арасындағы қашықтық ашық
кеңiстiкте жүздеген метрлерден бірнеше километрлерге дейін жетедi, ғимаратта
ондықтармен немесе жүз метрлермен өлшенеді. Қатынастардың
ретрансляциялану есебiнен желiнiң ұзартылуы iске асатындықтан, ZigBee
таратылу аймағы түйiндер арасындағы қашықтыққа қарағанда едәуiр кеңiрек
[5]. ZigBee құрылымдары желiлердi өз алдына құрастырады, қатынас
ретрансляцияларын қолдайды, AES-тың хаттамасы бойынша берiлетiн
мәлiметтердiң бүтiндiгiн тексеруi бар мәлiметтер
дестесiн тапсыруын
кiрiстiрiлген хаттама және криптоқорғаулармен болады.
Тұтынушыға желі ішінде мәліметтермен алмасуын жүзе асыруда уақыты
мен ресурсын шығындатпау үшін дайын шешімдер ұсынылады (1.4 кесте).
26 Артықшылығы
GSM
Wi - Fi
Bluetooth
Zigbee
Рұқсат етілген
қуаттағы әрекеттің
алыстығы
Тұтас
мәліметтік
жабынды
10...100 м
Slave пен
мастер
10...100 м
Slave пен
мастер
90...4000 м
көршілес
желілік
түйіндер
арасы
Желілік түйіндер
арасындағы
мәліметтердің
автоматты
ретрансляциясы
Қажет емес
-
жұлдыз
-
жұлдыз
+
mesh
Үлкен өлшемді
желілерге қолдау
көрсету
Кез-келген
нүкте саны
256 нүктеге
дейін
7 нүктеге
дейін
65536
нүктеге
дейін
Аз энергия тұтыну
-
-
+
+
Арзан орындалу
-
-
+
+
Ақысыз трафик
-
+
+
+
1.4 К е с т е - ZigBee-модемінің AnCom типінің артықшылығы
AnCom мүмкіндіктері
Желінің жұмысын
күшейту
Модемнің қосылу
қадағалау
Нысанды
автоматтандыру
жағында
интерфейстердің
стандартизациясы -
бірізді құрал
интерфейстеріне модем-
бағыттауыштарына
қосылуы
Нысанды
автоматтандыру жағында
интерфейстердің
стандартизациясы -
датчик пен реленің
модем-
бағыттауыштарына
қосылуы
Басқару терминалында
интерфейстердің
стандартизациясы -
координатор модеміне
қосылу
Жойылған нысандарға
БҚ (ПО) басқару
терминалы арқылы
қатынау нүктесін
ұйымдастыру
Түсініктеме
− Желінің жұмысын күшейтетін бағдарламалық
қолдау технологиясы
− Күйге келтірілген, желіге енгізілген және
жұмысқа дайын модем-бағыттауыштар
(автоматтандырылған нысанға қосылу үшін) және
модем-координатор (басқару терминалына қосылу
үшін);
− Желіге қосымша күйге келтірулер және жаңа
модемдерді енгізуде технологиялық жинақ
қосымшалар қолданылады
− Контроллерге, корректорларға және RS-232CRS-
485 интерфейсі бойынша өлшеу құрылғылары;
− Анық байланыс арнасы;
− Modbus RTU қолдау
− Дискретті датчиктерге - өрт күзетінің дабылы;
− Аналогты датчиктерге - қысым, температура
т.с.с. (аналогты өлшеу қуаты 0...2 В, ток үшін
4...20 мА);
− Релені басқару;
− Реледатчиктің шығыс қорегі, кірістердің
жағдайын басқару және талдаумодем шығысы
Modbus хаттамасы бойынша
− USB бойынша (конвертор арқылы) ДК
диспетчеріне немесе серверге;
− RS-232CRS-485 интерфейсі бойынша басқару
контроллері;
− құрғақ контакт атты кірістер арқылы басқару
релесіне
− Автоматтандырылған нысан интерфейсінің (RS-
232CRS-485) мекендік қатынау нүктесі сонымен
бірге аналогтыдискретті кірістері мен модем-
бағыттауыштарының шығыстарын қамтамасыз ету;
− Соның бірі SCADA, ПО диспетчерлік жағынан
ДК диспетчері немесе (ОЖ Windows) серверінде
бөлінген TCP немесе COM порттары арқылы
AnCom Server RM серверлік коммуникациялық
бағдарламалық жинағы арқылы өтеді;
27
1.4 кестенің жалғасы
1.5 Сымсыз сенсорлық желінің архитектурасы
Жоғарыда көрсетілгендей, көршілес сенсорлардың саны көп болған
сайын, желі өте үлкен дәлділікке және сенімділікке ие болады. Осыған
байланысты сенсорлы желілер құрылған кейбір жерлерде, сенсорлар өте үлкен
28 ZigBee желісін құруда
әртүрлі нұсқаларды
− ПО диспетчерлік жағынан автоматтардырылған
нысанға мекендік қатынау нүктесі (ОЖ Windows);
− Автоматтандырылған нысандарда басқару
контроллеріне Modbus RTU бойынша мекендік
қатынау нүктесі (Master --1...32 Slave, үздіксіз
дестелер 255 байтқа дейін);
− Басқару контроллерінен автоматталған нысаннан
мәліметтерді ретрансляциялауын кең жолақты
түрде тарату (үздіксіз дестелер 84 байтқа дейін);
− Екі арналы конттактілердің мекен қайталағыш
жағдайы (Master --1...32 Slave)
ZigBee Pro
стандартының толық
функционалды модулін
қолдану
− Үлкен көлемді желінің өрістетуінің
қарапайымдылығы;
− Модемдер арасында дабылды тарату қашықтығы
90 м, ал бөлме ішінде 4 км құрайды;
− Желі ішінде мәліметтерді автоматты түрде
ретрансляциялайды
Өнеркәсіпте орындауы
− DIN тақтайшасына бекітіледі;
− Сыртқы антеннаны қосу (соның ішінде
антивандалды);
− Жұмыс кезіндегі жарық диодының индикациясы
және желілік белсенділігі;
− Жұмыс температурасының диапазоны : -40...+70
°C
Орнатылған біріншілік
қорек адаптері
− ~ 85...264 B, = 110...370 B;
− Немесе =9-36 B
Желіге аймақтық
жойылған басқару
терминалынан модем-
координаторға шлюзды
қосу (міндетті емес)
− RS-232CEthernet шлюзы ZigBee модем-
координаторын және желіге кәсіпорынның локальді
роутерын қосады; ZigBee желісіне жойылған
басқару терминалына қатынау нүктесі Ethernet
технологиясының көмегімен іске асады;
− AnCom RM модемі GSM түріндегі шлюз ZigBee
модем-координаторына қосылып, басқару
терминалында GPRSInternet арқылы байланыс
орнатады (ДК немес сервер), ғаламторға косылулы
(статикалық көпшілік IP);
тығыздықпен және үлкен мөлшерде орналастырылуы қарастырылған. Бұл желі
алныған ақпараттарды жіберу үшін ортақ пайдаланудың байланыс желiлерi
қосылуы тиіс. Әдетте, бұндай қосылулар қорғанысты қамтамасыз ететін шлюз
(sink) арқылы жүзеге асады. Айтып кететін жайт, шлюз сенсор сияқты емес,
керісінше тұрақты (қоректену көзі мен ресурстарына қарағанда) желілік түйін
болып табылады. Сонымен қатар, ақпараттар өңдеу үшін серевер мен қатар
жекеленген қолданушыларға да жіберіле алады (1.6 сурет). Бұл айтылғандар
көлемі жағынан үлкен трафиктердің пайда болуын ғана күттірмейді, сонымен
бірге ортақ пайдаланудың байланыс желiлерiн тиімді пайдалануды
қарастырады. Ортақ пайдаланудың байланыс желiлерi қазіргі уақытта басынан
бері дестелік болып келетін, келесi ұрпақтың байланыс желiлерiн (NGN - next
generation network) жасау жолында дамуда. Байланыс желiлерiнiң келесi
ұрпағының дестелік табиғаты, оның қолданушыларына кез келген қызмет
көрсете алады, оның ішіне сенсорлы желілердің қызметі кіреді.
1.6 Сурет - Мониторингтің блок-сұлбасы
Сенсорлардың басты ерекшелігі болып олардың кішігірім өлшемдігі және
төмен өзіндік құндығы, соған байланысты сымсыз телеметриялық мәліметтерді
жіберу кезінде және желіні құрастыру кезінде көп мөлшерде қолдануға болады.
Сол кезде мәлімет жіберу кезеңді түрде болады, яғни бір құрылғыдан екінші
құрылғыға , ал мәлімет жіберудің маршруты автоматты түрде болады. Яғни
желі бойынша соңғы жіберілген мәліметтер жақын арадағы мәліметтер
түйінімен бірлесіп шлюзге жіберіледі, ал болса шлюз серверге қосулы болады.
Егерде бір немесе бірнеше түйін істен шықса,онда желінің құрылымы
автоматты түрде өзгереді, нәтижесінде барлық жұмыс істеп тұрған
сенсорлардан ақпараттың шлюзге жеткізілуі қамтамасыз етіледі.
29
1.7 Сурет - Сенсорлы желінің сұлбасы
1.8 Сурет - Мониторинг жүйесін қолданудың үлгілік архитектурасы
30
Әрине, өте үлкен мөлшердегі сенсорлардан тұратын сенсорлы желі
жіктелген болуы тиіс. Себебі, жіберіліп отырған ақпараттың үлкен көлемі,
шлюзға жақын оргаласқан түйіндердің сенімділігін төмендетеді. Күрделі
сенсорлы желі бірнеше кластерлерге бөлінеді. Әр кластердің тұрақтылығы
жағынан сенсорларға қарағанда жоғары, ал шлюзға қарағанда төмен болатын
басты түйіні болады.
Сенімді және тиімді сенсорлы желілерді құру күрделі тапсырма болып
есептеледі. Ол үшін жұмыс істеу қағидаларымен байланысты негізгі
есептеулерді ортақ келісімдер арқылы шешу керек еді. Соның нәтижесінде
сенсорлық желілер эволюциясы жүзеге асты. Солардың ішінде қол жеткізген
жетістіктері:
1. Істен шығу кезіндегі тұрақтылық. Белгілі бір бір желіге жататын бір
сенсор немесе сенсорлар тобы батареяның өмір сүру уақытының аяқталуына
байланысты немесе физикалық жойылуна байланысты істен шығуы мүмкін.
Алайда, бұл жағдай сенсорлы желінің жұмысына әсерін тигізбей, үлкен
ықтималдылықпен ары қарай өз функциясын атқарып, қажет ақпаратты
жеткізіп отыру керек.
2. Масштабталуы. Бүгінгі таңда сенсорлы желілердің көлемі жүздеген
түйнідермен шектеледі, алайда, жақын арада мыңдаған және жүз мыңдаған
түйіндерге деген сұраныс туатындығы анық. Сенсорлардың санын айтарлықтай
арттыратын болса бағыттау таблицаларының жүктелуіне, сенсордың жұмысын
тоқтатуға және сенсорлық түйіннің істен шығуына әкеледі.
3. Топология. Сенсорлы желінің топологиясының өзгеруі - жұмыс істеп
тұрған желіге жаңа сенсорды қосқан уақытта, немесе бір сенсор істен шыққанда
және егер сенсор қозғалмалы болса жүзеге асады.
4. Аппаратты қамтамасыз етудiң шектеулерi. Жоғарыдағы кестеден
байқағанымыздай, сенсорларды кең коммерциялық қолдану үшін бірнеше
жылдың ішінде кішкентай көлем ең маңызды талаптардың бірі болып
есептелді. Бірінші болып сұранысқа енетіндері енгізілгендер және
импланттанатындары. Аппараттық бөлігінің көлемі мен салмағының төмендеуі
потенциалды қосымшалар санын артыруға септігін тигізеді.
5. Сымсыз интерфейс. Көпқадамды сенсорлы желілердегі сенсорлар
ақпаратты жіберу үшін әр түрлі сымсыз технологияларды қолдануы мүмкін.
Сенсорлы желілер тиімді жұмыс атқару үшін спецификалық сипаттамалары бар
стандартталған сымсыз технология қажет.
6. Энергия тұтынуы. Сенсор өзінің көлеміне байланысты салыстырмалы
шектелген қоректену көзімен жабдықталған болуы мүмкін. Кейбір сенсорлық
желілердің қосымшаларында, мысалы, жаудың тылында тактикалық
есептеулерді шешу кезінде, сенсор қызмет көрсетілмейтін құрылғы болып
табылады және қоректену көзін ауыстыру тіпті мүмкін емес. Әр сенсор
терминалдың және өтпелі түйіннің қызметін атқарғандықтан, қоректену көзінің
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz