Введение к работе
Актуальность темы. Беспроводные сенсорные системы (БСС) представляют особый класс современных аппаратно-программных адаптивных систем. Миниатюрные, микропотребляющие устройства, объединенные в беспроводную сеть, предоставляют широкие возможности по контролю и управлению территориями, предприятиями, сооружениями. Спецификой БСС являются: автономность, работа в автоматическом режиме, адаптивность к параметрам окружающей среды и объекту мониторинга, длительный период автономной работы.
Разработка теоретических и практических вопросов, связанных с беспроводными сенсорными системами, является островостребованной многими отраслями ВПК России, в частности, необходима при создании средств охраны гражданских объектов (СОГО) и особо важных объектов (ядерных, правительственных), а также для автоматизированного мониторинга энергетических, тепловых и транспортных коммуникаций.
Среди факторов, сдерживающих развитие БСС, следует отметить недостаточное развитие методик оценки энергетической эффективности алгоритмов, а также отсутствие информационно-измерительных систем (ИИС), позволяющих контролировать параметры энергопотребления функционирующих систем. Существующие в настоящий момент стандартные ИИС позволяют получить лишь косвенные, грубые оценки действительного значения энергопотребления узлов сенсорных систем. Кроме того, особенности функционирования БСС для СОГО диктуют необходимость построения распределенных измерительных систем, обеспечивающих требуемую точность измерения в широком температурном диапазоне. Поэтому для проектирования энергоэффективных БСС исключительно важным является создание и внедрение в производство универсальных, автоматизированных, многофункциональных и быстродействующих информационно-измерительных систем, основанных на использовании последних достижений микроэлектроники и вычислительной техники.
Наиболее значимые результаты в теории и практике данного научного направления получены коллективами Института точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН (г. Москва), Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, компании ООО «Высокотехнологичные системы» (бренд «MeshLogic»), международного института инженеров электротехники и электроники IEEE, иностранных компаний National Instruments, XBee, EmberNet, Nanotron, Texas Instruments и др.
Существующие работы в области энергопотребления в основном касаются лишь теоретических вопросов построения оптимальных алгоритмов маршрутизации пакетов данных в условиях значительного и переменного по объему трафика в БСС и используют упрощенные энергетические модели. Совершенно не рассматриваются особенности аппаратной реализации узлов сенсорных систем и особенности реализации уровня доступа к среде передачи данных, которые являются определяющими с точки зрения энергопотребления для многих практических применений БСС (в том числе и систем СОГО).
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной построению информационно-измерительной системы для мониторинга и анализа энергопотребления беспроводных сенсорных систем, представляется актуальной.
Цель диссертационного исследования – создание распределенной аппаратно-программной информационно-измерительной системы для мониторинга и анализа энергопотребления беспроводных сенсорных систем.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
– определение структуры распределенной ИИС для продолжительных автоматизированных измерений параметров импульсных токов энергопотребления малой длительности для узлов БСС;
– разработка алгоритма измерения и анализа энергетических параметров БСС в автономных измерительных узлах ИИС;
– разработка аппаратной и программной части автономных измерительных узлов и базового узла распределенной ИИС для автоматизированных измерений и анализа энергетических характеристик БСС;
– создание математической модели процесса энергопотребления типового узла БСС;
– разработка алгоритма беспроводной передачи данных от измерительных узлов до базового узла распределенной ИИС, обеспечивающего хранение и расширенный сравнительный анализ результатов измерений;
– исследование динамической погрешности измерений импульсных токов с учетом автоматической смены измерительных диапазонов.
Объектом исследования является распределенная ИИС для мониторинга и анализа энергопотребления БСС, позволяющая выполнять продолжительные автоматизированные измерения в автономном режиме в полевых условиях.
Предметом исследования является структура ИИС для оптимизации энергопотребления БСС, структура автономных измерительных узлов ИИС и алгоритмы их функционирования, математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС, подсистема передачи измерительной информации внутри ИИС.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории кодирования дискретной информации, системного анализа, математического анализа, теории измерений, теории электрических цепей, схемотехнического моделирования электронных схем. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, а также путем математического и схемотехнического моделирования.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Определена структура распределенной аппаратно-программной ИИС, позволяющей проводить продолжительные автоматизированные измерения и анализ параметров импульсных токов энергопотребления узлов БСС.
2. Предложены структура и схемотехническая реализация многодиапазонного датчика тока с программным управлением, обеспечивающая измерение импульсных токов в широком динамическом диапазоне.
3. Создана математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС, одновременно учитывающая параметры аппаратной и программной реализации узла, параметры алгоритма доступа к среде передачи данных, структуру и особенности построения сетевого уровня БСС.
4. Разработан алгоритм беспроводной передачи данных в распределенной ИИС, позволяющий осуществить продолжительные измерения и анализ энергопотребления узлов БСС, функционирующей в полевых условиях.
5. Разработана методика расчета динамической погрешности для измерений импульсных токов, выполненных с учетом автоматической смены измерительных диапазонов.
Практическая значимость:
1. Разработана распределенная ИИС, позволяющая измерять импульсные (длительностью от 60 мкс) и постоянные токи в интервале от 1 мкА до 1 А, и проводить анализ структуры энергопотребления узлов БСС, функционирующей в полевых условиях. Диапазон рабочих температур ИИС – от –40 до +80 С.
2. Разработан алгоритм анализа энергетических параметров БСС в автономных измерительных устройствах, позволяющий получить развернутую информацию о профиле энергопотребления узла БСС.
3. На основе разработанной модели процесса энергопотребления типового узла БСС создана программная оболочка для ПЭВМ, входящей в состав базового узла ИИС, позволяющая на этапах проектирования алгоритмов работы БСС и отладки программного обеспечения ее узлов прогнозировать энергетические потребности разрабатываемой БСС.
4. Разработаны физический, канальный и сетевой уровни радиоканала для беспроводной передачи данных между автономными измерительными узлами ИИС, что дает возможность измерить в реальном времени энергетические затраты БСС, функционирующей длительное время, автономно, в полевых условиях эксплуатации.
На защиту выносятся:
1. Структура распределенной аппаратно-программной ИИС для продолжительных автоматизированных измерений и анализа параметров импульсных токов энергопотребления узлов БСС.
2. Структура многодиапазонного датчика тока с программным управлением, обеспечивающая измерение импульсных токов малой длительности в широком динамическом диапазоне.
3. Математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС, учитывающая параметры построения физического, канального и сетевого уровня БСС.
4. Методика расчета динамической погрешности измерений импульсных токов, обусловленной автоматической сменой измерительных диапазонов.
5. Структура и алгоритм функционирования радиоканала для беспроводной передачи измерительных данных в ИИС, характеризующийся высокой энергоэффективностью при сохранении самонастройки радиоканала и автоматического выбора маршрутов передачи измерительных данных.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы в «НИКИРЭТ» – филиале ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенской области) при выполнении НИР и ОКР «СР-1», «Терраса-К», «БРСК», «БСК-М», «Опора», «МВС-Р», «Модуль» и других для исследования энергопотребления разрабатываемых сенсорных сетей и создания энергоэффективных алгоритмов функционирования радиосистемы передачи данных внутри БСС. Результаты исследований использованы в учебном процессе в лекционном курсе и лабораторных занятиях по дисциплине «Радиотехнические системы» на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2008, 2009, 2010), научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов центра ФСБ (г. Железнодорожный, Московской обл., 2009, 2011), IX Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ–2011» (Владимир, 2011), международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Шляндинские чтения-2010)» (Пенза, 2010), IX Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2010), XXX Межрегиональной научно-практической конференции «Датчики и системы-2011» (Пенза, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 8 печатных работ без соавторов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 166 наименований и 2 приложений. Объем работы: 173 листа машинописного текста, включающего 15 таблиц и 68 рисунков.
