Разработка макета беспроводной системы сбора данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Квалификационная работа содержит 28с., 11рис., 2 табл., 11 источников, 1 приложений .

СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ, МОДЕМ, ZIGBEE, БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ, ЖКХ, АТ-КОМАНДА, ETRX2, БЫТОВОЙ СЧЁТЧИК ЭНЕРГОРЕСУРСОВ.

Объектом исследования является радиомодем ZigBee компании Telegesis и беспроводная система сбора данных на их основе.

Цель работы - создание макета беспроводной системы сбора данных с бытовых счетчиков на основе технологии ZigBee.

В процессе выполнения работы был изучен радиомодем ZigBee компании Telegesis, изучен механизм его управления по средствам АТ - команд через порт UART.

В результате был разработан проект беспроводной системы сбора данных с бытовых счётчиков.

Бакалаврская работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ

1.1 Системы сбора данных

1.2 Выбор радиомодема

1.2.1 Краткий обзор сетей ZigBee

1.2.2 ZigBee модемы Telegesis

1.2.3 Управление модемом

1.2.4 Организация работы модема ETRX2 без внешнего микроконтроллера

1.2.5 Типы модемов в сети

1.2.6 Формирование беспроводной сети ZigBee

1.2.7 Передача данных и их безопасность

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАКЕТА БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ ЖКХ

2.1 Функциональная схема системы сбора данных

2.2 Функциональная схема оконечного устройства

2.3 Виртуальный прибор для имитации работы бытового цифрового счётчика

2.4 Принципиальная схема оконечного устройства

ЗАКЛЮЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ВВЕДЕНИЕ

Исследования, проводимые в течение последних нескольких лет, показывают, что в России потенциал энергосбережения в жилом секторе достигает 40-50%. На фоне постоянного уменьшения дотаций государства в сферу ЖКХ и роста цен, все большее значение приобретает проблема сбережения и учёта ресурсов.

Предприятия предоставляющие услуги в сфере ЖКХ вынуждены включать в стоимость энергоресурсов не только их себестоимость, но и дополнительно учитывать стоимость других энергоресурсов которые приходится затратить для своевременного снятия показаний с счётчиков на всех объектах: топлива (ГСМ), машино-часов и человеко-часов.

В связи с реформированием жилищно-коммунального хозяйства, в частности с передачей функций контроля и учета управляющим компаниям, возникает насущная потребность в системах комплексного автоматизированного учета всех ресурсов (газ, электроэнергия, холодная и горячая вода, тепло и т.д.), потребляемых жильцами квартир. В коммерческом учете потребления ресурсов заинтересованы все: и квартиросъемщики и поставщики и управляющие компании.

Для того чтобы минимизировать затраты на учёт энергоресурсов необходимо создавать беспроводную систему сбора данных, которая позволит отказаться от поквартирного обхода для снятия данных со счётчиков, уменьшить вероятность ошибок при заполнении бланков в ручную.

Целью данной работы является разработка проекта беспроводной системы сбора данных для ЖКХ на основе технологии ZigBee, предназначенной для собора данных с бытовых счетчиков и передачи её в центр обработки информации центр.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ

1.1 Системы сбора данных

Система сбора данных - комплекс средств, предназначенный для работы совместно с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значениях физических параметрах в заданных точках объекта исследования с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.

По способу сопряжения с компьютером системы сбора данных можно разделить на:

· системы сбора данных на основе встраиваемых плат сбора данных со стандартным системным интерфейсом (наиболее распространен - интерфейс PCI);

· системы сбора данных на основе модулей сбора данных с внешним интерфейсом (RS-232,RS-485,USB, UART);

· системы сбора данных, выполненные в виде крейтов (магистрально-модульные системы сбора данных);

По способу получения информации они делятся на:

· сканирующие;

· мультиплексные (многоточечные);

· параллельные;

Сканирующий принцип построения систем сбора данных используется там, где надо измерить поле распределения параметров: тепловизор, аппарат УЗИ, томограф используют для получения первичной информации именно ССД сканирующего типа.

Параллельными системами сбора данных следует считать системы сбора данных на основе т.н. интеллектуальных датчиков, каждый такой датчик по сути одноканальная система сбора данных со специализированным интерфейсом.

Мультиплексная (мультиплексорная) система сбора данных имеет на каждый измерительный канал индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования. Наибольшее распространение в настоящее время имеют именно мультиплексные системы сбора данных.

Внедрение системы сбора данных в производство или сферу ЖКХ позволяет решить следующие задачи:

· обеспечение требуемой оперативности процесса сбора данных от момента появления новой потребности в отчетной информации до полного сбора и консолидации данных со всех источников;

· снижение объема ручного труда по заполнению и контролю отчетных форм за счет предоставления развитых средств контроля первичных данных и автоматического заполнения форм;

· предоставление развитых средств контроля за соблюдением установленного порядка подготовки и сбора отчетности;

· ведение и распространение для всех участников системы сборы единой нормативно-справочной информации, используемой в процессе распространения и сбора отчетной информации;

· предоставление оперативного доступа к консолидированной актуальной и достоверной информации всем заинтересованным лицам в соответствии с их правами и обязанностями.

1.2 Выбор радиомодема

Сегодня на рынке предлагается довольно большое количество радиомодулей и радиомодемов различных фирм. Но не все они удовлетворяют требованиям данной работы. В таблице 1 представлены некоторые радиомодули от различных производителей.

Таблица 1.1

Название радиомодуля	Количество частот	Скорость передачи данных, кбит/с	Мощность передачи данных, мВт	Чувствительность приемника, дБм	Кодирование передаваемой информации	Ток потребления при передачи, мА
IntegraOne 433	До 10	38,4	10	-100	нет	40
Интеграл 433/4800	69	4,8	10	-118	да	115
РифФайндер 801	1	1,2	10	-	да	200
Сатурн 433/9600	1	9,6	10	-120	нет	90
РДМ-400	до 128	115.2	10	-118	да	40
ETRX2	16	до 250	до 100	-97	да	41

Как видно из таблицы предъявленным требованиям в большей степени соответствуют два радиомодуля: РДМ-400 ООО КБ «Марс», и модуль ETRX2 компании Telegesis. Но РДМ-400 на много дороже чем ETRX2, к тому же ETRX2 намного меньше по размерам и может работать без внешнего микроконтроллера. Еще одно преимущество ETRX2 в том что ин имеет большое количество портов ввод выводы, как цифровых так и аналоговых сигналов..Поэтому было решено в проектируемом устройстве использовать радиомодемы ETRX2 компании Telegesis.

1.2.1 Краткий обзор сетей ZigBee

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/c . При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах 5 ... 40 кбит/с.

В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология). Ячеистая структура сети показана на рис.1.1.

Рис 1.1 Ячеистая структура сети ZigBee.

Mesh-сеть включает три типа узлов: координатор, маршрутизаторы и конечные узлы (спящие и мобильные). Уникальной функцией координатора является задача образования сети, которая заключается в сканировании эфира и выборе наименее загруженного частотного канала.

Маршрутизаторы в простейшем случае должны иметь стационарное питание и стационарное положение в пространстве. Они ретранслируют пакеты данных от других узлов и сами могут быть источниками информации. Конечные узлы не ретранслируют сообщений и поэтому могут переходить в режимы пониженного энергопотребления, что дает им возможность функционировать от батарей до нескольких лет. Конечные узлы общаются со всей сетью через свой, «родительский» маршрутизатор. Выбор «родителя» осуществляется автоматически во время образования сети. Если впоследствии «родительский» узел по каким-либо причинам перестанет функционировать, «дочерний» конечный узел найдет себе другой «родительский» маршрутизатор. Для передачи сообщения сеть автоматически находит наиболее короткий маршрут с удовлетворительным качеством связи в обоих направлениях. Если с течением времени какой-либо из маршрутизаторов выходит из строя, то сеть автоматически осуществляет поиск нового оптимального маршрута. Важной особенностью технологии ZigBee для систем коммерческого учета является возможность защиты передаваемых данных. Шифрование данных осуществляется при помощи алгоритма AES-128 c симметричным ключом, как во время передачи данных в сети, так и во время ее образования. Предварительное занесение ключей шифрования во все узлы позволяет, с одной стороны, не допустить в сеть посторонние устройства и подменить передаваемые данные, а с другой стороны -- делает невозможной расшифровку информации, полученной путем прослушивания эфира.

Способность находить оптимальный маршрут и функционировать при выходе из строя отдельных узлов, малое энергопотребление, возможность защиты информации -- важнейшие достоинства ZigBee-сети, позволяющие построить недорогую и надежную систему сбора данных с конечными устройствами, питающимися от батарей.

1.2.2 ZigBee модемы Telegesis

В качестве элементной базы для реализации беспроводной системы поквартирного учета были выбраны недорогие модемы ETRX2 компании Telegesis (см. рис. 1.2).



Рис. 1.2. Внешний вид модема ETRX2 компании Telegesis

Конструктивно модемы ETRX2 компании Telegesis имеют несколько исполнений. Четыре модели ETRX2, ETRX2-PA, ETRX2HR, ETRX2HR-PA имеют компактные размеры (37.5мм x 20.5мм x 3.2мм), предназначены для поверхностного монтажа и различаются типом используемых антенн, и наличием встроенного усилителя. Так модем ETRX2 имеет интегрированную антенну, ETRX2-PA также с интегрированной антенной и встроенным усилителем, ETRX2HR содержит разъём для подключения внешней антенны, а модем ETRX2HR-PA содержит как разъём для подключения антенны так и встроенный усилитель. Модемы имеют 12 цифровых линий ввода/вывода, два двенадцати разрядных АЦП, и последовательный интерфейс UART.

ZigBee-модемы ETRX2 совмещают преимущества передовой технологии Ember построения беспроводных ячеистых сетей ZigBee с простотой использования и богатой функциональностью которые обеспечиваются дополнительным встроенным программным обеспечением прикладного уровня компании Telegesis. Важным преимуществом модемов ETRX2 является то, что заложенная в их основу микросхема EM250 объединяет на одном кристалле приемопередатчик ZigBee и микроконтроллер с низким энергопотреблением. Это обстоятельство позволяет модемам ETRX2 иметь рекордно низкие токи потребления в спящем режиме. Например, при «спящих» микроконтроллере и приемопередатчике, но продолжающем работать внутреннем RC-генераторе ток потребления составляет 1 мкА. В таблице 1.1 приведены основные технические характеристики для ZigBee-модемов компании Telegesis.

Таблица 1.2.

Основные технические характеристики для ZigBee-модемов компании Telegesis.

Наименование модема	Элементная база	Характеристики радиоканала	Аппаратные ресурсы	Последовательные каналы	Ток потребления в энергосберегающем режиме , мкА
		Макс. мощность передатчика, дБм	Чувствительность приемника, дБм	Количество цифровых выводов/ функциональность	Аналоговые входы (кол-во/ разрешение, разрядов)
ETRX2	EM250	5	-97	12/ PWM, IRQ0, IRQ1	2/12	UART/ 8 User Timer	1 (RC-генератор - вкл.)
ETRX2-PA	EM250 + усилитель	20	-97	12/ PWM, IRQ0,IRQ1,	2/12	UART/ 8 User Timer	2

Следует отметить, что модемы ETRX2 имеют достаточно высокую мощность передатчик 3,2 мВт (5 дБм) и хорошую чувствительность, что обеспечивает дальность связи между узлами сети на открытом пространстве до 300 метров, а модемы ETRX2-PA имеют дополнительный встроенный усилитель мощности, что позволило увеличить их радиус охвата вне помещения до 800 метров. Ядром встроенного программного обеспечения модемов ETRX2 является стек EmberZNET который обеспечивает возможность построения полноценной ячеистой сети больших размеров с ретрансляцией, автоматической организацией, самовосстановлением и защитой данных, а также с возможностью реализации батарейных и мобильных узлов.

Функциональная схема ZigBee модема (см.рис 1.3)

Рис. 1.3. Функциональная схема ZigBee модема

1.2.3 Управление модемом

Управление работой модемов ETRX2 организованно при помощи программирования конфигурационных энергонезависимых S-регистров, доступ к которым осуществляется по радиоканалу или по проводному последовательному каналу путем набора несложных, но хорошо продуманных AT-команд. Кроме системы AT-команд предусмотрен набор типовых сценариев работы узла беспроводной сети, которыми можно пользоваться как готовыми подпрограммами. Так во внутренней памяти модулей содержится набор встроенных подпрограмм, которые могут вызываться по прерыванию от таймеров или при поступлении сигналов на внешние входы прерывания. Таким образом, модули могут работать даже без внешнего микроконтроллера, например, можно задать режим, при котором модуль будет с определенным интервалом времени считывать состояние своих входов и передавать результаты на заданный узел сети. Эту особенность модемов ETRX2 называют встроенной функциональностью (Built-In Functionality). Встроенная функциональность модемов ETRX2 является еще одним их преимуществом, так как позволяет использовать их без внешнего микроконтроллера что значительно облегчает работу с ними.

1.2.4 Организация работы модема ETRX2 без внешнего микроконтроллера

Узел ZigBee, построенный на базе модема ETRX2 может обладать сколь угодно сложной функциональностью. Алгоритм работы модема, а также всего узла сети, как законченного устройства, может задаваться внешним (по отношению к модему ETRX2) микроконтроллером. Однако в большинстве реальных случаев алгоритм работы беспроводного узла можно определить следующим образом: модем выполняет одну или несколько стандартных задач при наступлении какого-либо из стандартных событий. В документации Telegesis подробно описано около пятидесяти типовых сценариев, которые может выполнять модем, и десять стандартных событий, которые могут вызывать выполнение этих стандартных сценариев. Событием, инициирующим выполнение какого-либо стандартного сценария, может служить срабатывание одного из восьми пользовательских таймеров модема ETRX2, перепад сигнала на одном из входов прерывания IRQ0/1 или поступление байта по последовательному каналу. Каждому пользовательскому таймеру и каждому входу прерывания сопоставлен конфигурационный регистр, в который предварительно записывается код сценария работы модема после прерывания. Таким образом, модем с заданным интервалом времени или по внешнему сигналу может выполнять передачу отсчетов со своих цифровых и аналоговых входов на центральный узел сбора данных сети, датировать эти отсчеты, обновлять состояние своих выводов в соответствии с поступившей по радиоканалу информацией передавать по радиоканалу данные, поступающие из проводного последовательного канала (UART). Модем может измерять длительность поступающих входных сигналов и посылать результаты измерения на центральный узел сбора данных сети. Наконец, модем может выполнять операции по коррекции своих часов и отображать при помощи внешних светодиодов свое состояние. Описанная встроенная функциональность позволяет во многих случаях построить узел беспроводной сети без использования дополнительного внешнего микроконтроллера.

Также встроенная функциональность ZigBee-модемов ETRX2 полезна, если они используются для оснащения ранее разработанных приборов с последовательным выходом с целью их интеграции в беспроводную сеть. При этом зачастую нет возможности изменять программное обеспечение модернизируемых устройств. В этом случае задание начальных конфигурационных команд для модема ETRX2 можно выполнить при помощи заложенной в него встроенной функциональности. Встроенная функциональность модемов ETRX2 имеет большое значение и для реализации устройств с батарейным питанием, так как позволяет без дополнительных команд от внешнего микроконтроллера организовать циклическое пробуждение модемов, выполнение заданных функций и переход в режим пониженного энергопотребления. В таблице 2 представлен краткий перечень основных групп типовых сценариев.

Таблица 1.2.

Код	Описание сценария работы модема
0000	С данным таймером или прерыванием не связано никаких операций
0001 - 0008	Изменение режима энергопотребления
0010 - 0011	Запрос к родительскому узлу о наличии в его буфере сообщений для «проснувшегося» дочернего узла
0012-0013	Представление центрального узла (Sink) сбора данных. (широковещательная рассылка)
0014	Проверить, имеются ли в сети другие узлы. Если нет, то покинуть сеть.
0015	Если модем не является частью сети, то выполнить сканирование, определить какие существуют сети и присоединиться к подходящей сети.
0016	Разрешить присоединение к сети других узлов на 60 секунд.
002x, 003x, 004x, 8xxx, 9xxx, Axxx, Bxxx	Изменение состояния цифровых выводов модема
0100-0113	Посылка отсчетов с цифровых и аналоговых входов или данных из внутренних регистров модема на центральный узел сбора данных (Sinc). Возможно датирование отсчетов.
0200, 0201	Отображение на внешних выводах, управляющих светодиодами, статуса модема (присоединен/ не присоединен к сети) и ошибочных состояний.
2000, 400x,-405x	Операции с таймерами: запуск, остановка, пересылка состояния таймера а также текущих отсчетов с цифровых и аналоговых входов на центральный узел сбора данных беспроводной сети.
2001	Пересылка указанного количества байт из последовательного канала на центральный узел сбора данных
3000- 3003	Выполнение AT-команд, предварительно заданных во внутренних регистрах модема

1.2.5 Типы модемов в сети

Сеть ZigBee, построенная на базе технологии Ember, может содержать следующие типы узлов: координатор (COO -- Coordinator), маршрутизатор (FFD -- Full Function Device), конечное устройство (SED -- Sleepy End Device) и мобильное конечное устройство (MED -- Mobile End Device). Задание типа узла осуществляется в модемах ETRX при помощи программирования конфигурационных S-регистров. Координатор и маршрутизаторы образуют «костяк» сети, они обеспечивают маршрутизацию и ретрансляцию сообщений и поэтому всегда должны находиться в активном режиме. Конечные устройства не участвуют в процессе ретрансляции сообщений и поэтому могут время от времени терять связь со своим родительским узлом. Устройства типа «sleepy end device» теряют связь с сетью из-за перехода в режим пониженного энергопотребления. При этом все сообщения, которые передаются в сети на спящий узел, сохраняются (как в почтовом ящике) в буфере родительского узла. После пробуждения конечный узел считывает свою корреспонденцию. Мобильные конечные узлы теряют связь с родительским узлом по причине выхода из зоны действия родительского узла. Если в течение определенного времени мобильный узел не запрашивает информацию у родительского узла, то последний вычеркивает его из своих таблиц дочерних узлов и не хранит больше сообщения для этого узла. А сам мобильный узел начинает в этом случае поиск нового родителя. В информационно-измерительных системах часто информация от удаленных модемов должна поступать на единый узел приема и обработки данных. В связи с этим для систем сбора данных, построенных на базе модемов ETRX, вводится еще один специальный тип узла -- узел-сток (SINK). Такой узел должен быть в системе только один. Роль узла-стока может выполнять координатор или маршрутизатор. Для назначения узла на роль узла-стока необходимо выполнить соответствующие установки в основном функциональном S-регистре модема ETRX. В системе команд модемов ETRX имеются специальные команды поиска узла-стока и пересылки данных на этот узел.

сеть модем маршрутизатор цифровой

1.2.6 Формирование беспроводной сети ZigBee

Согласно спецификации Zigbee, образование сети выполняет координатор. Удаленные маршрутизаторы и конечные устройства затем присоединяются к координатору. Принятые в сеть маршрутизаторы получают возможность в свою очередь присоединять к себе дополнительные узлы, осуществляя таким образом наращивание сети.

Для образование новой сети модемами ETRX2 одному из их нужно дать команду AT+EN. В ответ на эту команду он сканирует эфир, выбирает наименее загруженный канал, генерирует случайный PAN ID, проверяет что сети с таким идентификатором на данном частотном канале не существует. Модем выполняющий эту команду автоматически становится координатором до использования команды выхода из сети AT+DASSL. Вместе с тем в регистрах S00 и S01 сохраняется возможность задать номер частотного канала и PAN ID в ручную.

Для подключения к сети существует несколько возможностей. Самый простой способ -- это использование команды присоединения к сети АТ-JN. В ответ на эту команду модем сканирует незамаскированные в регистре S00 каналы и запрашивает идентификаторы PAN ID от тех сетей, которые разрешают присоединение нового узла. Как только модем находит хотя бы один такой идентификатор, он присоединяется к данной сети. В случае, если существует вероятность, что на данной территории может существовать несколько сетей ZigBee и требуется управлять выбором сети, к которой необходимо осуществлять присоединение, то удобно использовать команды AT+PANSCAN (возвращает список всех сетей, разрешающих присоединение), AT+N (возвращает список параметров сети), AT+JPAN (присоединение к сети с заданным идентификатором PAN ID).

Также полезными могут быть команды, позволяющие управляющему процессору получать информацию о качестве беспроводной связи между узлами (AT + ESCAN, AT+L1NKCHECK), о том, какие узлы присутствуют в сети (АТ+ SN, АТ+ REMSN) и о том, сколько промежуточных узлов находится между локальным узлом и удаленным адресатом. Эта информация может быть полезна, например, при решении задачи определения местоположения мобильного узла в сети.

1.2.7 Передача данных и их безопасность

После того как сеть образована, узлы имеют возможность пересылать сообщения друг другу. Сообщения могут быть широковещательными (AT+BCAST)? адресными (AT+CCAST) и сообщения, предназначенные для особого узла стока данных SINK (AT+SCAST).

Модемы ETRX2 всегда осуществляют шифрование данных. В зависимости основного функционального регистра S06, выбирается различный режим передачи ключей шифрования. Возможен режим, когда ключ для шифрования данных должен быть предварительно занесен в регистр S03 каждого узла сети. Другой вариант предполагает, что вновь присоединяемый узел может получить этот ключ от родительского узла или от координатора. В последнем случае координатор становится удостоверяющим центром (trust center) сети. В ячеистой сети, координатор имеет право покинуть сеть сразу после ее образования. Так узел-координатор может представлять собой PDA или LAPTOP, используемый для образования сети. Если он также будет сконфигурирован для работы в качестве удостоверяющего центра, то после его отключения никакой новый узел не сможет присоединиться к сети.

Конфигурационные регистры модемов ETRX (S03. S05, S09), которые обеспечивают шифрование передаваемых данных, защищены паролем. Их запись по радиоканалу возможна только в том случае, если удаленному узлу известен этот пароль.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАКЕТА БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ ЖКХ

2.1 Функциональная схема системы сбора данных

На рисунке 2.1 представлена функциональная схема системы сбора данных.

Счетчик электроэнергии Счетчик горячей воды Счетчик холодной воды Этажный контроллер Домовой контроллер

Рис 2.1. Функциональная схема системы сбора данных.

Состав системы поквартирного домового учета и схема размещения основных узлов системы в жилом здании показаны на рис.2.1. В соответствии с этой схемой квартиры оснащены цифровыми счетчиками которые разъёмы для подключения к нему по интерфейсу RS-232, или RS-485. Через эти разъёмы к нему подключается ZigBee модем, в котором заложена программа для считывания со счётчика данных через определенный интервал времени. Модем заранее сконфигурированный на работу в качестве конечного спящего узла беспроводной сети.

На лестничной площадке каждого этажа в электрошкафу размещаются этажные контроллеры, которые имеют сетевое питание и выполняют функцию маршрутизаторов сети. Этажные контроллеры используют модемы с дополнительным усилителем мощности, что дает возможность передавать данные на расстояние в 3-5 этажей. Установка маршрутизаторов на каждом этаже позволяет иметь несколько возможных путей для передачи сообщений. При этом сеть самостоятельно выбирает путь с наименьшим количеством ретрансляций. Например, если в здании прохождение радиосигнала на всех этажах одинаково и обеспечивает дальность связи четыре этажа, то для 14-го этажа маршрут может быть таким: 14 этаж-10 этаж-6 этаж-2 этаж-подвал. При этом, если, например, на 10-м этаже маршрутизатор по каким-то причинам не будет функционировать, ячеистая сеть автоматически инициирует поиск нового маршрута. Новый путь для передачи сообщения теперь может быть, например, таким: 14-11-7-3-подвал.

В подвале или на чердаке здания стоит домовой контролер, который получает информацию со всех этажных контроллеров. Этот узел также имеет стационарное питание и по сети GSM или ETHERNET подключен к центру обработки информации.

2.2 Функциональная схема оконечного устройства

На рисунке 2.2 представлена функциональная схема устройства которое эмитирует работу электронного счётчика и модема ETRX2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.2. Функциональная схема оконечного устройства.

Устройство состоит из ПК на котором написана программа в среде разработки LabVIEW, которая эмитирует работу цифрового электросчетчика (см. приложение 1). Микросхема FT232RL преобразует СОМ протокол в протокол UART. С выхода микросхемы сигнал по протоколу UART поступает на входы ZigBee модема, причём вход модема соединен с выходом микросхемы, а выход со входом, и дальше по радиоканалу передается на другой модем. На втором устройстве происходят обратные действия, т.е. данные поступают на антенну ETRX2 далее по последовательному интерфейсу UART данные поступают на микросхему FT232RL а от туда на ПК.

Также эта схема подходит для задания параметров S-регистров. Для управления этими модемами компания Telegesis предоставляет бесплатное программное обеспечение «Telegesis Terminal» (см. рис 2.3.)

Рис 2.3. Внешний вид программы Telegesis Terminal.

2.3 Виртуальный прибор для имитации работы бытового цифрового счётчика

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench -- среда разработки лабораторных виртуальных приборов) является средой программирования, с помощью которой вы можете создавать приложения, используя графическое представление всех элементов алгоритма, что отличает ее от обычных языков программирования, таких как С, C++ или Java, где программируют, используя текст. Однако LabVIEW представляет собой значительно большее, чем просто алгоритмический язык. Это среда разработки и исполнения приложений, предназначенная для исследователей - ученых и инженеров, для которых программирование является лишь частью работы. LabVIEW функционирует на компьютерах, работающих под управлением всех распространенных операционных систем:Windows, MacOS, Linux, Solaris и HP-UX.

Мощный графический язык программирования LabVIEW позволяет в сотни раз увеличить производительность труда. Создание законченного приложения с помощью обычных языков программирования может отнять очень много времени - недели или месяцы, тогда как с LabVIEW требуется лишь несколько часов, поскольку пакет специально разработан для программирования различных измерений, анализа данных и оформления результатов. Так как LabVIEW имеет гибкий графический интерфейс и прост для программирования, он также отлично подходит для моделирования процессов, презентации идей, создания приложений общего характера и просто для обучения современному программированию.

Основные элементы использованные при разработке виртуального прибора:

· VISA Configure Serial Port (см. рис 2.4)



Рис 2.4 VISA Configure Serial Port

Функция инициализирует последовательный порт, определяемый с помощью входа имя ресурса VISA, производя определенные установки. Это полиморфный ВП может использоваться для инициализации последовательного порта с помощью узла свойств класса Instr VISA или класса Serial Instr VISA, являющегося основным элементом блок-диаграммы ВП.

· VISA Read (см. рис.2.5)

Рис. 2.5 VISA Read

Функция считывает задаваемое число битов из интерфейса, определенного с помощью имени ресурса VISA, и возвращает данные в буфер чтения.

· VISA Write (см.рис. 2.6)

Рис. 2.6 VISA Write

Функция записывает данные из буфера записи в устройство или интерфейс, определенный с помощью имени ресурса VISA.

· VISA Close (см. рис. 2.7)

Рис. 2.7 VISA Close

Функция закрывает сессию устройства или объект события, определенный с помощью имени ресурса VISA. Каждая открытая сессия VISA должна быть закрыта при завершении работы с ней.

Этот ВП имитирует работу цифрового бытового счетчика, т.е. создает поток данных и по протоколу RS-232 посылает их на периферийное устройство. В основе работы протокола RS-232 лежит последовательная, бит за битом, передача данных от передатчика к приёмнику по двум проводам. Каждый передаваемый символ упаковывается в кадр символа, состоящий из одиночного стартового бита (start bit), бита четности (parity bit) и заданного числа стоповых битов (stop bit). Блок - схемы программы приведена в приложении 1.

2.4 Принципиальная схема оконечного устройства

На рисунке 2.2 представлена в принципиальная схема устройства которое подключается к компьютеру (который имитирует счётчик) и считывает с него данные. Т.к. в распоряжение не было цифрового счетчика, его работу пришлось эмитировать на компьютере, в среде разработки LabVIEW.



Рис 2.4. Принципиальная схема модели подключения модема к счетчику.

Главным элементом устройства снятия данных является ZigBee модем ETRX2, это одновременно и приемопередатчик и микроконтроллер, который отвечает за корректность работы устройства. Для питания модема от USB используется стабилизатор напряжения LM1117 DP, на выходе которого всегда поддерживается напряжения 3.3В, что вполне удовлетворяет напряжению питания модема (2,4-3,6 В).

Заключение

В результате проделанной работы было создан проект беспроводной системы сбора данных для ЖКХ, основой которой является технология ZigBee.

Данная работа является начальным этапом создания полноценной системы сбора данных для ЖКХ. В ходе дальнейшей работы система будет дополнена интерфейсом GSM или ETHERNET для передачи собранных данных в центр обработки информации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. One RF Technology [Электронный ресурс] / Сайт компании «One RF Technology». - Режим доступа: http://www.one-rf.com/en/index.html. - Загл. с экрана.

2. ЗАО НПФ «Интеграл - плюс» [Электронный ресурс] / Сайт компании ЗАО НПФ «Интеграл - плюс». - Режим доступа: http://www.integralplus.ru/index.html. - Загл. с экрана.

3. ООО «Ратеос» [Электронный ресурс] / Сайт компании ООО «Ратеос». - Режим доступа: http://www.rateos.ru/index.shtml. - Загл. с экрана.

4. ООО КБ «Марс» [Электронный ресурс] / Сайт компании ООО КБ «Марс». - Электрон. дан. (6 файлов). - Режим доступа: http://www.kbmars.ns.ru. - Загл. с экрана.

5. Telegesis [Электронный ресурс] / Сайт компании Telegesis. - Режим доступа: http://www.telegesis.com/index.php. - Загл. с экрана.

6. Datasheet ETRX2 [Электронный ресурс] / Telegesis, 2009. 30 c. - Режим доступа: http://www.telegesis.com/downloads/general/TG-ETRX2-PM-001-109.pdf, свободный, - Яз. англ.

7. Datasheet FT232RL [Электронный ресурс] / Future Technology Devices International Limited, 2009. 43 c. - Режим доступа: http://www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/DS_FT232R.pdf , свободный, Яз. англ.

8. Datasheet LM1117 [Электронный ресурс / National Semiconductor, 2001. 20 с. - Режим доступа: http://www.datasheetcatalog.com, свободный, - Яз. англ.

9. Кривченко Т. И. ZigBee-модемы ETRX2 компании Telegesis: что нового? // Беспроводные технологии. 2007. № 2.

10. Кривченко Т. И. ZigBee-модемы ETRX компании Telegesis // Беспроводные технологии. 2006. № 2.

11. А.Я. Суранов. LabVIEW 8.2. Справочник по функциям. - М. Издательство «ДМК пресс», 2007 - 536 с.: ил.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Схема программы которая эмитирует работу цифрового счетчика.

Размещено на Allbest.ru