Система контроля доступа мобильных пользователей на основе технологии Bluetooth

2. Обзор технологии J2ME

Java - это полноценный язык программирования, который был создан в 1995 году. Компания Sun, разработавшая его, создавала язык под влиянием С++. Это было сделано специально, С++ изначально структурирован и разработан программистами, кроме того разработчики могут легко переключиться с этого языка на яву. Основным отличиями явы являются мобильность программного кода и защита от вредоносных программ. В то время как программа, написанная на С++, в конечном счете компилируется в машинный код и исполняется только на той операционной системе, под которую была скомпилирована, программа на яве представляет собой байт-код, который можно выполнить под любой системой, если на ней есть виртуальная ява-машина. Исполнение программы ява-машиной также гарантирует предотвращение вредоносных действий. Кроме того, сам язык построен так, что программист не может сам управлять памятью. Сейчас существует три платформы явы:

Java 2 Standart Edition (J2SE), предназначенная для обычных PC

Java 2 Enterprise Edition, разработанная для серверов

Java 2 Micro Edition, используемая на мобильных устройствах

Java Virtual Machine (Виртуальная ява-машина). Это программа, которая пишется под каждую конкретную операционную систему. Ее цель - исполнение байт-кода ява. Таким образом, если на ОС стоит ява-машина, на ней можно запускать программы на яве, причем выполняться они будут совершенно одинаково на любой машине. Это называется кроссплатформенность. Не нужно писать и адаптировать код программы под различные ОС, программа создается один раз - это одно из важных преимуществ ява.

Мидлет - это разновидность программы на яве, которая предназначена для мобильных устройств. Отличие такой программы состоит в том, что в ней нет определенной точки входа (стартовой точки), а есть несколько методов, которые вызываются AMS (Application Management Software - системой управления программами телефона). Другими разновидностями обычной программы являются апплет (для веб-страниц) и сервлет (предназначен для серверов).

Java 2 Micro Edition - подмножество технологий фирмы Sun Microsystems, основанное на концепции Java-платформы и предназначенное для выполнения приложений, написанных на языке Java, на устройствах бытовой электроники, например мобильных телефонах, пейджерах, смарт-картах, органайзерах, миникомпьютерах. Отличительной особенностью этих устройств является ограниченная вычислительная мощность, небольшой объем памяти, малый размер дисплея, питание от портативной батареи, а также низкоскоростные и недостаточно надежные коммуникационные возможности. Типичный современный мобильный телефон содержит внутри 32-разрядный RISC-процессор с тактовой частотой 50 МГц, имеет объем оперативной памяти около 4 Мбайт, цветной дисплей размером 4 дюйма и оснащен возможностью GPRS-соединения с интернетом со скоростью максимум 172 кбит/с (которое при этом фундаментально ненадежно, скорость передачи данных может неожиданно упасть или соединение может быть вообще полностью потеряно). Основой J2ME является виртуальная машина, способная исполнять байт-код языка Java.

J2ME специфицирует две базовые конфигурации, которые определяют требования к виртуальной машине (иначе говоря, определяют подмножество стандартного языка Java, которое виртуальная машина способна выполнять), а также минимальный набор базовых классов. В настоящее время в J2ME имеется две конфигурации: CLDC (Connected Limited Device Configuration - конфигурация устройства с ограниченными коммуникационными возможностями) и CDC (Connected Device Configuration - конфигурация устройства с нормальными коммуникационными возможностями).

J2ME также определяет несколько так называемых профилей (profiles), которые дополняют и расширяют упомянутые выше конфигурации, в частности определяют модель приложения (программы на языке Java, совместимой с конкретным профилем), возможности графического интерфейса (то есть отображения информации на дисплее устройства и способы получения команд от пользователя), включая коммуникационные функции (например, доступ к интернету) и пр.

В настоящее время самой распространенной конфигурацией является CLDC, для которой разработан профиль MIDP (Mobile Information Device Profile - профиль для мобильного устройства с информационными функциями). MIDP определяет понятие мидлета (MIDlet) - компактного приложения на языке Java, имеющего небольшой размер, что делает его пригодным для передачи по сети и установке на мобильном устройстве. Другим популярным профилем для J2ME/CLDC является DoJa, разработанный фирмой NTT DoCoMo для ее собственного сервиса iMode. iMode весьма распространен в Японии и в меньшей степени в Европе и на Дальнем Востоке.

Конфигурация CLDC успешно используется в большинстве современных мобильных телефонов и портативных органайзеров. По данным компании Sun Microsystems к концу 2004 года в мире было выпущено более 570 миллионов мобильных устройств с поддержкой этой конфигурации Java. Это делает J2ME доминирующей технологией Java в мире. Объемы производства мобильных телефонов значительно превышают количество других компьютерных устройств, способных исполнять приложения на Java (например, персональных компьютеров).

2.1 Java API for Bluetooth

Системные требования

Все низкоуровневые реализации Blutooth должны удовлетворять набору требований, который сводится к поддержке ряда стандартных профилей и протоколов.

Таблица 3.1

Уровни Bluetooth version 1.1	Профили
RFCOMM Service Discovery Protocol L2CAP	Generic Access Profile Service Discovery Application Profile Serial Port Profile

Кроме того, Bluetooth устройства должны поддерживать так называемый Bluetooth Control Center (BCC), который позволяет проводить настройку локальных параметров Bluetooth устройства. BCC не является частью Bluetooth Java API, но Bluetooth Java API использует его для установки рабочего уровня и настройки параметров безопасности.

Организация и пакеты

Java API for Bluetooth представляет собой дополнительный пакет для Java Community Process (JSR-82). Этот дополнительный пакет предоставляет разработчику общий API для работы с Bluetooth. На следующем рисунке показано отношение между Java API for Bluetooth и платформой J2ME, использующей Mobile Information Device Profile (MIDP) и Connected Limited Device Configuration (CLDC).

Рисунок 3.1 Отношение между Java API for Bluetooth и платформой J2ME

Как видите, внизу у нас расположились hardware, operating system и Bluetooth stack; выше находятся конфигурация (в нашем случае это CLDC) и профиль (MIDP), а также дополнительные пакеты. В самом верху располагается собственно MIDP приложение (MIDlet).

Таблица 3.2

Пакет	Описание
javax.microedition.io	Ядро CLDC Generic Connection Framework.
javax.bluetooth	Ядро Bluetooth API, включающее в себя Discovery, L2CAP, а также интерфейсы и классы устройства и данных.
javax.obex	Ядро Object Exchange (OBEX) API. Этот пакет является дополнительным и поддерживается не всеми устройствами.

В рамках Java APIs for Bluetooth определяется новый протокол соединения для GCF и Object Exchange (OBEX) API на основе спецификации IrDA Data Association.

Анатомия MIDlet-ов, использующих JSR 82

На следующем рисунке показаны все интерфейсы и классы, которые можно использовать в JSR-82 мидлете.

Рисунок 3.2 Классы и интерфейсы JSR 82

2.2 Использование Java APIs for Bluetooth

Использование Java APIs for Bluetooth состоит из нескольких отдельных этапов:

§ Инициализация Bluetooth стека.

§ Поиск устройств.

§ Поиск сервисов.

§ Открытие соединения.

§ Закрытие соединения.

§ Ожидание соединения.

§ Инициализация соединения.

§ Выполнение операций ввода-вывода.

На приведенном ниже рисунке схемотично показано приложение, использующее Bluetooth.

Рисунок 3.3 Жизненный цикл Bluetooth-приложения

Bluetooth Control Center

Инициализация Bluetooth, как правило, влечет за собой установку параметров. В частности необходимо задать имя устройства, настройки безопасности, включить или выключить Bluetooth радио канал. Все это можно сделать с помощью Bluetooth Control Center (BCC), который представляет собой набор панелей управления, которые являются основным механизмом управления параметрами Bluetooth устройства.

С помощью Bluetooth Control Center Вы можете задать несколько дополнительных настроек, в частности имя, которое будут видеть другие устройства, или режим доступности другим устройствам. Вы также можете выполнить поиск других Bluetooth устройств, задать условия соединения, соединиться и отключиться от устройства.

Регистрация сервиса

Все необходимые действия по регистрации сервиса берет на себя Java Bluetooth API. Вызов метода Connector.open() автоматически задает сервисную запись. Затем вызывается метод StreamConnectionNotifier.acceptAndOpen() или L2CAPConnetionNotifier.acceptAndOpen(), который добавляет ее в Service Discovery Database (SDDB). С этого момента устройство может подключаться к другим устройствам и отвечать на попытки подключений клиентов.

Обзор Device и Service Discovery API

Процесс поиска доступных по Bluetooth устройств и сервисов является, пожалуй, наиболее сложной частью Java APIs for Bluetooth. API для поиска устройств включает в себя класс DiscoverAgent и интерфейсы DiscoveryListener, RemoteDevice, ServiceRecord.

MIDlet

JSR-82 совместимый мидлет использует DiscoveryAgent, который предоставляет методы, позволяющие осуществлять поиск устройств и сервисов. Мидлет должен использовать интерфейс DiscoveryListener, для того чтобы узнать о найденном устройстве. Чтобы получить DiscoveryAgent устройства, необходимо вызвать метод LocalDevice.getDiscoveryAgent().

Мидлет начинает фазу поиска с вызова метода DiscoveryAgent.startInquiry(), который переводит устройство в режим "запроса". Как только устройство или сервис будут найдены, DiscoveryAgent уведомит об этом мидлет, вызвав callback методы deviceDiscovered() и servicesDiscovered(). Поскольку выполнение запросов требует времени, перед инициализацией режима запроса, мидлет обычно вызывает методы retrieveDevices() и searchServices() класса DiscoveryAgent, чтобы произвести поиск в локальногм кэше обнаруженных ранее устройств и сервисов. На следующей диаграмме показана последовательность действий при поиске.

3. Технология беспроводной связи Bluetooth

Bluetooth (англ. синий зуб) -- производственная спецификация беспроводных персональных сетей (PAN).

Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и наушники на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 - 100 метров друг от друга (дальность очень зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Таблица 4.1

Характеристика	Параметр
Диапазон частот	2400,0 - 2483,5 МГц
Способ передачи информации	пакетная дуплексная передача с временным разделением каналов TDD
Метод расширения спектра	скачкообразная перестройка частоты FHSS
Ширина полосы частотного подканала	1 МГц
Число каналов	23 или 79 (в зависимости от региона использования)
Скорость перестройки рабочей частоты	до 1600 скачков в секунду
Длина цикла псевдослучайной последовательности	227
Длительность временного сегмента	625 мкс
Метод модуляции	двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying)
Число устройств в пикосети	до 8
Скорость передачи информации: - в синхронном режиме - в асинхронном режиме	- 3 канала по 64 кбит/с в каждом направлении; - до 723,2 кбит/с в прямом направлении и 57,6 кбит/с в обратном направлении
Радиус действия устройств	10 м (в перспективе 100 м)

Таблица 4.2

Класс	Максимальная мощность, мВт.	Максимальная мощность, дБм.	Радиус действия (приблизительно), м.
Класс 1	100	20	100
Класс 2	2,5	4	10
Класс 3	1	0	1

Эта спецификация была разработана компанией Ericsson, позднее оформлена группой Bluetooth Special Interest Group (SIG).

3.1 Принцип действия Bluetooth

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2.4465-2.4835 ГГц). Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum -- широкополосный сигнал по методу частотных скачков). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот, а в Японии, Франции и Испании полоса умже -- 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используется различные схемы кодирования: аудио-сигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях.

Интерфейс Bluetooth состоит из трех частей: приемо-передатчик, контроллер связи и управляющее устройство, осуществляющее связь с терминалом. Терминалом может быть любой прибор, будь то мобильный телефон, КПК или ноутбук. Приемо-передатчик и контроллер связи, как правило, выполнены на отдельных микросхемах, а вот функции управляющего устройства может выполнять и процессор теримнала при достаточной собственной мощности. Схема проста в реализации как в аппаратном, так и в программном направлении, что сказывается на популярности интерфейса Bluetooth.

Рисунок 3.1 Блок-схема организации Bluetooth-связи

3.2 Спецификации

В первых версиях Bluetooth 1.0 и 1.0B было обнаружено несколько небольших ошибок. Они имели плохую совместимость между продуктами различных производителей, а так же была обязательной передача адреса устройства BD_ADDR на этапе установления связи, что делало невозможным реализовать анонимность на протокольном уровне.

Эти ошибки были исправлены в версии 1.1, а так же добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). Именно эта версия стала первым стандартом новой технологии. Соединение с помощью Bluetooth 1.1 достаточно медленное, а энергопотребление первого поколения мобильных устройств, поддерживающих Bluetooth, было очень большим. В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путем использования разнесенных частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путем повторения поврежденных пакетов. Также предусмотрено дополнительное улучшение качества звука в шумных помещениях. Новейшая версия - Bluetooth 2.0 - быстрее предыдущих, а, кроме того, менее энергоемкая. Аппараты на основе версии Bluetooth 2.0 могут применяться для общения по технологии VoIP; это означает, что появилась возможность использовать наушники Bluetooth, чтобы совершать звонки с компьютера через интернет. Bluetooth 2.0 поддерживает EDR (Enhanced Data Rate) - именно эта технология обеспечивает более быстрый обмен информацией с другими устройствами - в 3 раза быстрее, чем обычно (до 2,1 Мбит/с.). При этом снижается энергопотребление, а значит увеличивается время жизни батареи. Кроме того, можно установить мультисоединение, например с GPS-ресивером и наушниками Bluetooth. Версия 1.2 также поддерживает эту возможность, но работа 2.0 более стабильна и доступна к применению повсеместно. Bluetooth версии 2.0 полностью совместим с версиями 1.x.

Для обеспечения безопасности в Bluetooth используется алгоритм аутентификации и генерации ключа SAFER+. Инициализационный и главный ключи генерируются по алгоритму E22. Поточный шифр E0 используется для закрытия передаваемых данных. Что в целом делает более трудоемким прослушивание устройств связанных по Bluetooth.

Профили - это возможности, которые поддерживаются как устройством, так и аксессуарами. На каждый профиль существует ограниченный набор функций (наушники, например), который гарантирует, что оба устройства будут работать корректно и стабильно. Профили разрабатываются и внедряются чтобы улучшить качество соединения между Bluetooth-устройствами. Обычно помимо основного набора профилей имеется несколько дополнительных, расширяющих спектр возможностей как гарнитуры Bluetooth, так и самого устройства.

Устройства, образующие между собой Bluetooth-соединение, образуют сеть, называемую пикосетью (piconet). В ней одно устройство является главным (master), а другое - подчиненным (slave). К одному master-устройству может быть подключено несколько slave-устройств. Пикосети могут объединяться, образуя скеттерсеть (scatternet). В этом случае соединяются два главных устройства, одно из которых становиться главным/подчиненным.

Рисунок 3.2 Возможные топологии пикосетей

3.3 Протоколы Bluetooth

Bluetooth, призван объединить все находящиеся поблизости устройства в беспроводную локальную сеть. Устройства, как мы знаем, бывают разными. Следовательно, характер передаваемых ими данными тоже будет неоднороден. Согласно этому разработчики беспроводного стандарта создали для Bluetooth большое количество протоколов.

Basehand (Базовая полоса). Осуществляет физическое соединение между двумя и более устройствами. Возможны два типа соединения: SCO (синхронное) и ACL (асинхронное). По SCO можно передавать данные, или данные с аудиопотоком, например, голосом. По ACL передается только аудиопоток.

LMP (Link Manager Protocol, Протокол диспетчера подключений). Контролирует такие стороны подключения устройств между собой, как аутентификация, шифрование, генерирование ключей шифрования и соединения, а также обмен этими ключами и их проверка. Помимо этого протокол диспетчера подключений управляет режимом питания и исполнительными циклами устройств Bluetooth, а также осуществляет мониторинг состояния этих устройств в пикосети.

L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol, Протокол управления логическим подключением и адаптацией). Занимается адаптацией протоколов верхнего уровня над базовой полосой.

SDP (Service Discovery Protocol, Протокол обнаружения услуг). Позволяет получить сведения о устройстве Bluetooth, его услугах и информацию, связанную с этими услугами.

RFCOMM (Протокол, заменяющий кабель). Эмулирует последовательную линию, или, иначе говоря, осуществляет своими действиями функционирование виртуального COM-порта. При применении протокола осуществляется эмуляция линий управления и линий данных протокола RS-232, согласно которому строиться функционирование COM-порта. RFCOMM обеспечивает транспортировку информации, которую требует выполнение услуг верхнего уровня, использующих при своей работе последовательную линию.

TCS BIN (TCS Binary, контроль телефонии). Иными словами, двоичный протокол управления телефонией. Выполняет контроль сигнализации вызова для установления речевого вызова и вызова данных между устройствами Bluetooth.

Управление телефонией - команды AT. Протокол определяет набор AT-команд, позволяющий использовать мобильный телефон или модем в режиме мультииспользования.

Существуют также заимствованные протоколы:

PPP (Point-to-Point Protocol, «Точка-точка»). Служит для передачи IP-пакетов с уровня PPP на уровень локальных сетей.

TCP/UDP/IP. Применяется для обмена данными (в качестве моста) между протоколом TCP/IP и Bluetooth. В качестве моста могут быть использованы любые электронные устройства, будь то телефон или наушники, поддерживающие технологию Bluetooth.

IrOBEX (Infrared Object Exchange Protocol). Разработан ассоциацией IrDA для поэтапного обмена объектами и обеспечивает функциональность, сходную с протоколом HTTP. IrOBEX определяет модель для представления объектов и операций, а также формирует оглавление папок, необходимое для просмотра содержимого памяти удаленных устройств. По данному протоколу, к примеру, возможна передача данных типов vCard, vCalendar, vMessage и vNote. Обмен визитками, календарной информацией, сообщениями и заметками соответственно. Также IrOBEX осуществляет транспортировку журнальных файлов, необходимых для функционирование отдельных видов устройств.

WAP (Wireless Application Protocol, Протокол беспроводных приложений). Разработан Форумом WAP и призван обеспечить возможность загрузки информации из сети Интернет на мобильные телефоны и подобные электронные устройства.

Стек протоколов

Стек Bluetooth протоколов состоит из двух частей: контроллера, который, как правило, имеет аппаратную реализацию, и on-host стека с которым, собственно, и взаимодействуют приложения.

Рисунок 3.3 Bluetooth протоколы

Host Controller Interface (HCI) - Это самый низкий уровень стека программных протоколов. Он непосредственно взаимодействует с Bluetooth контроллером.

Logical Link Control and Adaptation Layer (L2CAP) - На этом уровне происходит сегментация и сборка пакетов, мультиплексирование протокола, обеспечивается качество управляющей информации. Service Discovery Protocols (SDP) используется для поиска доступных Bluetooth устройств. RFCOMM обеспечивает последовательную передачу данных через Bluetooth, другими словами, ведет себя аналогично обычному последовательному порту (COM).

Object Exchange Protocol позаимствован у Infrared Data Association (IrDA). Он позволяет выполнять синхронизацию данных.

3.4 Профили

Чтобы обеспечить совместимость между устройствами, Bluetooth профили определяют возможность некого нейтрального устройства. Сам по себе термин профиль означает набор функций и возможностей, которые использует Bluetooth в качестве механизма транспортировки. Профили гарантируют возможность обмена информацией между устройствами разных производителей. Bluetooth SIG определяет несколько стандартных профилей:

Generic Access Profile (GAP) - определяет использование стека протоколов нижнего уровня, включая функции управления устройством. Все реализации Bluetooth осуществляют GAP.

Service Discover Application Profile (SDAP) - описывает специфические приложения и использование SDP, доступность и аспекты пользовательского интерфейса процесса поиска других устройств, использование L2CAP и низких слоев для обеспечения режима поиска.

Serial Port Profile (SPP) - определяет для RFCOMM, L2CAP, SDP, и других слоев низкого уровня, требования взаимодействия и возможности для эмуляции последовательного кабеля.

Dial-up Networking Profile (DUNP) - определяет требования обеспечения взаимодействия для GAP и SPP, а также для телефонных звонков, контролирует возможность устройства работать в режиме телефона.

Generic Object Exchange Profile (GOEP) - определяет для OBEX, SPP и GAP требования к взаимодействию и способности OBEX для передачи файлов, размещения объектов и синхронизации.

Object Push Profile (OPP) - определяет требования к пользовательскому интерфейсу, использование OBEX, SDP и способности размещать объекты для контента в форматах vCard, vCalendar, vNote и vMessage.

File Transfer Profile (FTP) - определяет требования к пользовательскому интерфейсу, а также взаимодействие и использование GOEP, OBEX и SDP.

Synchronization Profile (SP) - определяет требования к пользовательскому интерфейсу, а также взаимодействие и использование GOEP, OBEX и SDP в режиме, аналогичном IrMC синхронизации.

4. Разработка системы

С целью упростить учёт рабочего времени, мною была разработана система контроля и управления доступом на основе технологии Bluetooth.

Система состоит из

§ сервера (персональный компьютер с серверной частью и Bluetooth-адаптером)

§ клиентов (мобильные телефоны с технологией Bluetooth, поддерживающие jsr82 и клиентской частью программы).

Рисунок 5.1 Состав системы

Сервер постоянно рассылает широковещательный сигнал всем клиентским устройствам, зарегистрированным в его базе. У каждого устройства есть свой уникальный идентификатор, который вводится при установке мидлета на телефон и алгоритм шифрования, который так же хранится на сервере. Согласно этому алгоритму, как клиент так и сервер шифруют случайное число, генерируемое сервером 1 раз в час. По прошествии часа, сервер генерирует новое случайное число, передаёт его клиенту, и оба его шифруют по заданному алгоритму, в результате чего получается ключ. Этим идентификатором и ключом они и обмениваются всё время соединения.

В случае удачной проверки (совпадение идентификатора и ключа, полученных от клиента с теми, что имеются в базе сервера), сервер ждёт 5 минут, затем снова опрашивает клиента.

Информация о дате и времени появления\исчезания клиента в зоне досягаемости Bluetooth-радиоканала сервера фиксируется в log-файле.

4.1 Сервер:

4.2 Клиент:

4.3 Формат сообщений

Сообщение делится на 3 части:

§ заголовок сообщения,

§ тело сообщения

§ контрольная сумма сообщения.

Заголовок включает в себя:

§ тип пакета (1 байт)

§ тип сообщения (2 байта)

§ длина сообщения (2 байта)

Контрольная сумма состоит из 4 байт и следует за телом сообщения

тип пакета 1 байт	тип сообщения 2 байта	длина сообщения 2 байта	Тело сообщения	Контрольная сумма 4 байта

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Цена программного обеспечения (ПО), разрабатываемого в дипломной работе, определяется по формуле:

(6.1)

где: - норматив рентабельности, учитывающий прибыль организации разработчика ПО (0,15);

НДС - ставка налога на добавленную стоимость (0,18);

Т_i - трудоемкость разработки ПО по видам работ, чел.час (10 чел.час.);

_i - зарплата (основная) разработчиков i категории за 1 час работ, руб.час (300 руб.час);

H_g - коэффициент, учитывающий размер дополнительной зарплаты разработчиков (0,2);

H_ECH - ставка единого социального налога (0,28);

H_H - коэффициент учитывающий накладные расходы организации, в которой разрабатывается ПО (0,35);

Т_мо - машинное время, необходимое для отладки и тестирования ПО, маш.час (4 маш.час);

Ц_м - отпускная цена одного часа машинного времени, руб./маш.час (13).

Таким образом стоимость разработки ПО будет равна:

(6.2)

6. Охрана труда и техника безопасности

6.1 Введение

Судно - объект повышенной опасности. Наличие опасных и вредных производственных факторов при работе на морском флоте обусловлено спецификой труда. Задача охраны труда заключается в обеспечении работающему таких условий труда, чтобы при максимальной производительности утомляемость его была минимальной. В частности, охрана труда рассматривает наличие опасных и вредных факторов при работе на морском транспорте, предусматривает меры и мероприятия по предупреждению несчастных случаев и профессиональных заболеваний. Согласно ГОСТ 12.003-74 ССБТ опасные и вредные производственные факторы делятся по природе действия на следующие группы:

§ физические

§ химические

§ психофизиологические

Источники ЭМИ, например радиостанции УКВ, ПВ/КВ диапазонов, радиолокационные станции, ВЧ генераторы, спутниковые терминалы, персональные компьютеры и т.д. в настоящее время используются на судах для целей навигации и связи. При несоблюдении мер безопасности их эксплуатация может привести к неблагоприятным изменениям в состоянии здоровья членов экипажей. Следовательно, при проведении предупредительного и текущего санитарного надзора необходима гигиеническая оценка этого фактора обитаемости на судах.

Электромагнитные излучения характеризуются следующими основными параметрами: частотой, длиной волны, временем распространения и скоростью, которая в обычных условиях равна скорости света, т. е. 3*10⁵ км/с.

Таблица 7.1

№ диапазона	Диапазон частот	Обозначение	Метрическое подразделение
I	3 - 30 Гц	КНЧ	Декаметровые
II	30 - 300 Гц	СНЧ	Мегаметровые
III	0,3 - 3 кГц	ИНЧ	Гектокилометровые
IV	3 - 30 кГц	ОНЧ	Мириаметровые
V	30 - 300 кГц	НЧ	Километровые
VI	300 - 3000 кГц	СЧ	Гектометровые
VII	3 - 30 МГц	ВЧ	Декаметровые
VIII	30 - 300 МГц	ОВЧ	Метровые
IX	300 - 3000 МГц	УВЧ	Дециметровые
X	3 - 30 ГГц	СВЧ	Сантиметровые
XI	30 - 300 ГГц	КВЧ	Миллиметровые
XII	300 - 3000 ГГц	ГВЧ	Децимиллиметровые

В зависимости от частоты колебаний (длины волн) электромагнитные излучения разделяют на ряд диапазонов. Электрическое (Е) и магнитное (Н) поля неразрывно связаны между собой, что проявляется в постоянном переходе энергии одного поля в энергию другого. Совокупность обоих полей представляет электромагнитное поле (ЭМП), необходимым условием возникновения которого является колебательный процесс.

Для ЭМП в диапазоне частот до 300 МГц электрические и магнитные составляющие оцениваются раздельно в единицах напряженности: вольт на метр (В/м) и ампер на метр (А/м). Для ЭМП в диапазоне частот свыше 300 МГц используется единица плотности потока энергии (ППЭ), выражаемая количеством энергии, проходящей через 1 м² поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения энергии, в 1 с -- 1 Вт/м². Между ППЭ (мкВт/см²) и напряженностью электрического поля (В/м) или магнитного поля (А/м) существует зависимость:

( 7.1 )

где ППЭ -- плотность потока энергии излучения, мкВт/см²; Е -- напряженность электрической составляющей, В/м; Н -- напряженность магнитной составляющей, А/м.

Электромагнитные поля любого радиотехнического средства делят на ближнюю зону (индукции), или зону Френеля, промежуточную (интерференции) и дальнюю (волновую) или зону Фраунгофера. Ближайшая зона имеет радиус, равный примерно 1/6 длины волны от излучателя, а дальняя -- начинается с расстояния от излучателя, равного примерно 6 длинам волн, и характеризуется окончательно сформированной диаграммой направленности антенны. В ближней зоне электрические и магнитные составляющие смещены по фазе на 90° (чередование максимумов и минимумов) и отличаются друг от друга по уровням в десятки и более раз. В дальней зоне обе составляющие ЭМП совпадают по фазе и находятся в прямой зависимости между собой. В этой зоне напряженность магнитной составляющей обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника, а электрической -- обратно пропорциональна расстоянию, но в 3-й степени.

Режим работы РТС может быть постоянным или прерывистым. Постоянный режим облучения обеспечивается работой антенн с частотой вращения или сканирования антенн не более 1 Гц и скважностью более 50, а прерывистые -- с частотой вращения или сканирования -- более 1 Гц и скважностью менее 50.

Суммарная величина электромагнитных излучений в области частот 300 МГц -- 300 ГГц при непрерывном режиме работы станции складывается из значений энергетических нагрузок от каждой из них, а при прерывистом -- определяется по величине излучения от станции, дающей наибольшую энергетическую нагрузку.

6.2 Характеристика ЭМИ на судах

Интенсивность электромагнитных излучений на судах зависит от многих причин, которые определяются как параметрами радиотехнических устройств, так и режимами их работы. Основное значение при этом имеют мощность излучения, коэффициент усиления и диаграмма направленности антенн, частота электромагнитных колебаний.

Развитие судовых радиотехнических устройств идет прежде всего по пути увеличения их мощности. Очевидно, что чем больше мощность радиотехнических средств, тем выше уровни электромагнитных излучений, которые распределяются в соответствии с диаграммой направленности. С уменьшением ширины лепестка, т. е. с увеличением коэффициента усиления антенны, уровень электромагнитных излучений возрастает. Гигиеническое значение имеет интенсивность излучений не только в основном, но и в боковых и даже задних лепестках.

Степень облучения членов экипажей судов во многом определяется режимом работы радиолокационных станций: постоянным или прерывистым (круговой обзор, сканирование). Перемещающиеся в пространстве диаграммы направленности антенн (по горизонтали или по вертикали) создают прерывистое излучение, при котором интенсивность электромагнитного излучения изменяется от нуля до очень значительных величин, определяемых моментом прохождения через облучаемую точку максимума основного лепестка.

Существенное значение имеют места расположения антенн на судах, т. е. их общая архитектура. Надстройки, трубы, мачты, находящиеся между антеннами и местами пребывания членов экипажей, обладают экранирующим действием и создают зоны «радиотени». Интенсивность излучения зависит от высоты расположения антенн, в связи с этим, чем выше они размещены, тем меньше уровень электромагнитного излучения на палубах и надстройках. Однако следует иметь в виду, что открытые палубы и надстройки судов являются по существу антенными полями радиотехнических средств, в связи с этим антенны устанавливают на достаточной высоте, что в определенной мере обеспечивает относительную безопасность пребывания людей на открытых участках палубы и на надстройках. Однако в носовой и кормовой оконечностях судов ППЭ может возрастать от десятков и сотен до тысяч мкВт/см².

Увеличение интенсивности ЭМИ любого диапазона может возникать вследствие его отражения от различных предметов, установленных на палубах и надстройках, в том числе неметаллических. Интенсивность вторичного излучения будет тем больше, чем выше электрическая проводимость отражающих предметов. Поэтому наличие на палубах большого количества надстроек может обусловливать образование местных электромагнитных полей.

На судовых операторов радиотехнических средств кроме электромагнитных излучений в некоторых случаях неблагоприятное воздействие может оказывать и ряд других факторов окружающей среды, среди которых наиболее значимым является мягкое рентгеновское излучение. Оно появляется в случаях, когда анодное напряжение на электровакуумных приборах (кенотроны, клистроны, модуляторные лампы) выше 10 кВ. Рентгеновское излучение оценивается мощностью экспозиционной дозы, т. е. энергией квантового излучения, преобразованной в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы образцового вещества (воздух), отнесенной к единице времени. Конструктивное исполнение современной радиотехнической аппаратуры предусматривает эффективное экранирование от этого опасного вида излучения, но в период проведения профилактических осмотров и ремонтных работ возможно нарушение экранных мероприятий. К другим неблагоприятным сопутствующим факторам окружающей среды на рабочих местах операторов следует отнетсти измененный химический состав воздуха, высокие температуры воздуха, повышение уровня шума. Следует отметить, что на современных судах перечисленные факторы окружающей среды в настоящее время имеют ограниченное значение.

Эксплуатация радиопередающих устройств на отечественных судах сопровождается образованием электромагнитных полей с напряженностью по электрической составляющей до нескольких сотен В/м. Мощность радиолокационных станций (типа «Дон», «Нептун», «Океан») составляет от 20 до 100 кВт в импульсе. Интенсивность излучений на открытых участках палуб зависит от многих факторов и в ряде случаев достигает десятков мкВт/см². Замеры интенсивностей излучений от судовых радиопередатчиков «Бриг», «Муссон» показали, что напряженность ЭМП на высоте 1,8 м от палубы в 0,5 м от работающей штыревой антенны составляет от 20--90 В/м до 1500 В/м. Это свидетельствует о влиянии ЭМИ на членов экипажей, находящихся на палубах в зонах излучающих антенн. СВЧ-излучения на рабочих местах операторов практически не определяются, однако в отдельных случаях наблюдается «паразитное» излучение, составляющее единицы мкВт/см².

6.3 Воздействие ЭМИ на организм

Электромагнитному облучению могут подвергаться все тело (общее облучение) или отдельные его части (локальное облучение). Эффект биологического действия электромагнитного облучения зависит от длины волны, продолжительности и интенсивности воздействия, площади облучаемой поверхности, анатомического строения облучаемых органов, общего состояния здоровья человека. При этом характерны явления отражения, проведения и поглощения энергии. С гигиенической точки зрения важно знать количество энергии, поглощенной отдельными тканями или всем организмом за единицу времени. Энергия, поглощенная единицей объема за единицу времени, служит основой дозиметрической оценки, выражаемой в Вт/кг.

Воздействие мощных электромагнитных полей на человека приводит к определенным сдвигам в нервно-психической и физиологической деятельности, однако как предполагают, «многоступенчатая» система защиты организма от вредных сигналов, осуществляемая на всех уровнях от молекулярного до системного, в значительной степени снижает вредность действия «случайных» для организма потоков информации. Поэтому, если и наблюдается определенная реакция на эти поля, то здесь нужно говорить скорее о, физиологическом в общем смысле, чем о патологическом аспекте воздействия электромагнитной энергии. Несмотря на то, что нетепловые, или специфические эффекты воздействия радиоволн открыты относительно давно, определяющим для нормирования опасности работы в условиях воздействия ЭМП во многих странах пока принята степень их теплового воздействия.

Для выяснения биофизики теплового действия СВЧ на живые организмы рассмотрим кратко факторы, определяющие нагрев тканей при облучении их ЭМП.

Существование потерь на токи проводимости и смещения в тканях организма приводит к образованию тепла при облучении. Количество тепла выделяемое в единицу времени веществом со среднем удельным сопротивлением при воздействии на него раздельно электрической и магнитной составляющих на частоте f определяются следующими зависимостями:

( 7.2 )

Доля потерь в общей величине поглощенной теплом энергии возрастает с частотой.

Наличие отражения на границе «воздух-ткань» приводит к уменьшению теплового эффекта на всех частотах приблизительно одинаково.

Коэффициент отражения К₀ от границ между тканями при различных частотах приведен в таблице.

Таблица 7.2

Границы раздела	Частота, МГц
	100	200	400	1000	3000	10000	24500
Воздух-кожа	0,758	0,684	0,623	0,570	0,550	0,530	0,470
Кожа-жир	0,340	0,227	-	0,231	0,190	0,230	0,220

С учетом К₀ плотность мощности, поглощаемая телом, будет равна:

( 7.3 )

где П - плотность потока мощности.

Глубина проникновения энергии СВЧ в глубь тканей зависит от резистивных и диэлектрических свойств ткани и от частоты.

Глубина проникновения энергии СВЧ в различные ткани при изменении поля в е раз в долях длины волн приведена в таблице 7.3.

Таблица 7.3

Ткань	Длина волны, см
	300	150	75	30	10	3	1,25	0,86
Головной мозг	0,012	0,028	0,028	0,064	0,048	0,053	0,059	0,043
Хрусталик глаза	0,029	0,030	0,056	0,098	0,050	0,057	0,055	0,043
Стекловидное тело	0,007	0,011	0,019	0,042	0,054	0,063	0,036	0,036
Жир	0,068	0,083	0,120	0,210	0,240	0,370	0,270	-
Мышцы	0,011	0,015	0,025	0,050	-	0,100	-	-
Кожа	0,012	0,018	0,029	0,056	0,066	0,063	0,058	-

Соизмеримость размеров тела с длинной волны приводит к появлению существенной частотной зависимости взаимодействия поля с телом. Эффект облучения тела человека сильно зависит от поляризации и ракурса освещения его радиоволнами CВЧ.

Существование между различными слоями тела слоев с малой диэлектрической проницаемостью приводит к возникновению резонансов - стоячих волн большой амплитуды, которые приводят к так называемым микронагревам.

Перераспределение тепловой энергии между соседними тканями через кровь наряду с конвенционной отдачей энергии теплоиспусканием в окружающее пространство во многом определяет температуру нагреваемых участков тела. Именно из-за ухудшенной системы отвода тепла от некоторых сред (глаза и ткани семенников - в них очень мало кровеносных сосудов). Эти органы тела наиболее уязвимы для облучения. Критическим для глаз считается повышение температуры на 10^оС. Высокая чувствительность семенников к облучению связана с известным фактом, что при нагревании их всего на 1^оС возникает частичная или полная временная стерилизация.

Кроме теплового действия радиоволн СВЧ на живой организм, на организм оказывает и специфическое действие.

Наиболее общим эффектом действия радиоволн на организм человека электромагнитных излучений малых уровней является дезадонтация - нарушение функций механизма, регулирующих приспособительные реакции организма к изменениям условий внешней среды (к теплу, холоду, шуму, психологическим травмам т. п.), т. е. СВЧ поле является типичным стрессом.

К специфическим эффектам воздействия поля также относятся:

§ Кумуляция - приводит к тому, что при воздействии прерывистого облучения суммарных эффект накапливается и зависит от величины эффекта с самого начала воздействия.

§ Сенсибилизация - заключается в повышении чувствительности организма после слабого радиооблучения к последующим воздействиям.

§ Стимуляция - улучшение под влиянием поля общего состояния организма или чувствительности его органов.

При плотности мощности СВЧ поглощаемой телом (П) больше 5-10 мВт/cм и хроническом действии полей меньшей интенсивности наблюдается, как правило, отрицательное влияние облучения, появляется повышенная утомляемость, слабость, вялость, разбитость, раздражительность, головокружение. Иногда наблюдается приливы крови к голове, чувство жара, половая слабость, приступы тошноты, потемнения в глазах.

6.4 Методы и средства защиты от ЭМИ

Мероприятия по защите от электромагнитных излучений должны обеспечить полную безопасность членов экипажей судов. Оценка электромагнитной обстановки, осуществляемая в процессе предупредительного и текущего санитарного надзора, требует от специалистов умения пользоваться соответствующими расчетными и инструментальными методами.

Разработка защитных мероприятий основана на прогнозе интенсивности ЭМИ на открытых палубах и надстройках судна в период предупредительного санитарного надзора, который осуществляется расчетным методом. Его значение в том, что имеется возможность предвидеть опасность ЭМИ еще до ввода в строй радиотехнических средств. Метод основан на предварительном определении зоны (ближняя, промежуточная, дальняя).

Защита людей от ЭМИ может быть коллективной и индивидуальной. Меры коллективной защиты в зависимости от их характера делят на организационные и инженерно-технические.

К важнейшим организационным мероприятиям относятся:

§ проведение санитарно-просветительной работы среди моряков об опасности электромагнитных излучений, в том числе разработка инструкций по технике безопасности;

§ определение перечня должностей, исполняя которые моряки считаются занятыми на работах с ЭМИ;

§ определение опасных зон на палубах, надстройках и допустимого времени пребывания в них моряков;

§ учет времени пребывания людей под электромагнитным облучением, что определяется методом хронометража суточной (рабочей) деятельности отдельных судовых специалистов или их групп;

§ своевременное оповещение членов экипажей о необходимости покинуть районы судна, нахождение в которых в период работы радиотехнических средств на излучение является небезопасным, в том числе с использованием предупреждающих звуковых или световых табло;

§ установление запрета на работу в секторах на излучение в направлении мест пребывания людей, в том числе соседних судов, а также в направлении берега;

§ запрещение работ при частично или полностью неэкранированной радиотехнической аппаратуре без средств индивидуальной защиты;

§ учет лиц, несущих вахту на верхней палубе, надстройках и подвергающихся комбинированному воздействию ЭМИ повышенных уровней (в пределах ПДУ и выше) от антенн различных радиотехнических средств с последующим медицинским контролем за состоянием их здоровья.

К инженерно-техническим мероприятиям, контроль за проведением которых осуществляется, как правило, в период предупредительного санитарного надзора, относятся установка металлических защитных экранов (сплошные или ячеистые в зависимости от длины волн), леерных ограждений, использование защитных возможностей надстроек для создания «радиотени», рациональное размещение антенн, покрытие иллюминаторов радиозащитным слоем и др.

Комплекс мер по защите от ЭМИ должен разрабатываться в соответствии со следующими основными требованиями:

§ все излучающие элементы радиопередатчиков и передающая система радиолокационных станций должна размещаться в специальных изолированных помещениях, достаточных по площади для эксплуатации, ремонта и наладки;

§ радиопередатчики, фидерные и волноводные тракты, коммутирующие и согласующие устройства должны быть полностью экранированы;

§ радиопередающие антенны по высоте должны быть не менее 1,8 м, что обеспечивает формирование электромагнитного поля выше роста человека;

§ антенны РЛС должны устанавливаться на максимально возможном удалении от возможных мест нахождения людей.

Индивидуальная защита обеспечивается защитными костюмам из специальной ткани, в основу которой положено использование густой металлической сетки. Изготавливаются 2 вида тканей: с внешней и внутренней металлизацией. Последняя более удобна и представляет собой хлопчатобумажную ткань с вплетенной внутри нее тонкой медной микропроволокой, для защиты глаз используются специальные очки типа ОРЗ-5.

На всех судах, оснащенных средствами радиосвязи и радиолокации, а также при вводе в действие новых и реконструкции существующих средств необходимо не реже одного раза в год производить измерение интенсивностей электромагнитных полей СВЧ-, УВЧ- и ВЧ-диапазонов. Полученные данные должны использоваться при разработке соответствующих инженерно-технических и организационных мер защиты.

Испытание установок с излучением на антенну при использовании штатных мощных передатчиков должно проводиться на специальных полигонах. При необходимости проведения указанных испытаний в помещениях цехов или на территории предприятия должны быть приняты меры, исключающие превышение ПДУ ЭМИ РЧ за пределами цеха (территории) и на рабочих местах предприятия. В период работы установок с излучением на антенну необходимо предусматривать звуковую и световую сигнализацию.

Экранирование источников ЭМИ РЧ или рабочих мест осуществляется с помощью отражающих или поглощающих экранов (стационарных или переносных). Отражающие экраны выполняются из металлических листов, сетки, ткани с микропроводом и др. В поглощающих экранах используются специальные материалы, обеспечивающие поглощение излучения соответствующей длины волны. В зависимости от излучаемой мощности и взаимного расположения источника и рабочих мест конструктивное решение экрана может быть различным (замкнутая камера, щит, чехол, штора и т. д.).

При изготовлении экрана в виде замкнутой камеры вводы волноводов, коаксиальных фидеров, воды, воздуха, выводы ручек управления и элементов настройки не должны нарушать экранирующих свойств камеры. Экранирование смотровых окон, приборных панелей проводится с помощью радиозащитного стекла. Для уменьшения просачивания электромагнитной энергии через вентиляционные жалюзи последние экранируются металлической сеткой, либо выполняются в виде запредельных волноводов.

Уменьшение утечек энергии из фланцевых сочленений волноводов достигается путем применения "дроссельных фланцев", уплотнения сочленений с помощью прокладок из проводящих (фосфористая бронза, медь, алюминий, свинец и другие металлы) и поглощающих материалов, осуществления дополнительного экранирования.

Средства индивидуальной защиты следует использовать в случаях, когда снижение уровней ЭМИ РЧ с помощью общей защиты технически невозможно. Если защитная одежда изготовлена из материала, содержащего в своей структуре металлический провод, она может использоваться только в условиях, исключающих прикосновение к открытым токоведущим частям установок.

При работе внутри экранированных помещений (камер) стены, пол и потолок эти помещений должны быть покрыты радиопоглощающими материалами. В случае направленного излучения допускается применение поглощающих покрытий только на соответствующих участках стен, потолка, пола. В тех случаях, когда уровни ЭМИ РЧ на рабочих местах внутри экранированного помещения превышают ПДУ, персонал должен выводиться за пределы камер с организацией дистанционного управления аппаратурой. Служебные помещения следует размещать преимущественно в зоне "радиотени" с ориентацией окон и дверей в сторону, противоположную от источников ЭМИ РЧ.

Маршруты движения персонала должны устанавливаться таким образом, чтобы исключалась возможность облучения людей при уровнях, превышающих предельно допустимые. Зоны с уровнями ЭМИ РЧ выше допустимых должны быть обозначены специальными предупреждающими знаками и надписями.

6.5 Нормирование ЭМИ

В основу гигиенического нормирования взято количество падающей энергии. Согласно принципу Гроттгауза, только та часть энергии излучения может вызвать изменения в веществе, которая им поглощается. Отраженная или проходящая энергия не оказывает никакого биологического действия. Биологический эффект прерывистого облучения примерно в 5 раз меньше постоянного. Поскольку индивидуальный биологический порог может колебаться в значительных пределах и уменьшается с увеличением популяции, при гигиеническом нормировании электромагнитных излучений учитывают коэффициент «запаса», равный 10.

Нормируемыми параметрами диапазона частот 300 МГц -- 300 ГГц являются ППЭ излучения и энергетическая нагрузка (ЭН) -- суммарный поток энергии, проходящий через единицу облучаемой поверхности за время действия и представляющий собой произведение величины оказываемого воздействия (ППЭ падающего излучения) и времени его действия в течение рабочего времени. Предельные уровни ППЭ диапазона СВЧ на рабочих местах персонала определяются исходя из допустимой энергетической нагрузки на организм с учетом времени воздействия (ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. М., 1984):

(7.4)

где ППЭ_ПДУ -- предельно допустимое значение ППЭ, Вт/м²; ЭН_ПДУ -- нормативная величина за рабочий день, равная 2 Вт * ч/м² -- для всех случаев облучения, исключая от вращающихся и сканирующих антенн; 20 Вт * ч/м -- для случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн с частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не менее 40; Т -- длительность пребывания в зоне воздействия, ч.