Вісник Чернігівського Державного Технологічного Університету

УДК 621.396.67

М.Б. Гумен, канд. техн. наук

Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна

Т.Ф. Гумен, старш. викладач

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, Україна

передачА даних у телеметричних системах ІЗ ЗастосуванняМ технології Mesh Lite

Н.Б. Гумен, канд. техн. наук

Национальный авиационный университет, г. Киев, Украина

Т.Ф. Гумен, ст. преподаватель

Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический университет”, г. Киев, Украина

передачА данНЫх В телеметричЕСКИХ системах
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ технологИИ Mesh Lite

Мykola Humen, PhD in Technical Sciences

National Aviation University, Kyiv, Ukraine

Тamara Humen, senior teacher

National Technical University of Ukraine "Kyiv Politechnical Institute", Kyiv, Ukraine

Data transmission in telemetry systems using Mesh Lite technology

Здійснено порівняльний аналіз бездротових технологій, що застосовуються в телеметрії. Запропоновано використовувати разом з технологією Mesh Lite частотний метод стрибків для зменшення впливу селективних завад. Доведено ефективність методу на моделі передавально-приймального тракту мережі Mesh Lite, розробленої у програмному середовищі MatLab Simulink 7.0.1.

Ключові слова: телеметрична система, бездротова мережна технологія, координатор, маршрутизація, селективна завада, частотний метод стрибків.

Выполнен сравнительный анализ беспроводных технологий, применяемых в телеметрии. Для уменьшения влияния селективных помех вместе с технологией Mesh Lіtе предложено использовать частотный метод прыжков. Эффективность метода доказана на модели передаточно-приемного тракта сети Mesh Lite, разработанной в программной среде MatLab Simulink 7.0.1.

Ключевые слова: телеметрическая система, беспроводная сетевая технология, координатор, маршрутизация, селективная помеха, частотный метод прыжков.

A comparative analysis of wireless technologies used in telemetry. To reduce the influence of selective interference with the technology Mesh Lіte proposed to use frequency hopping method. Effectiveness of the method is proved on the model transfer and the receiving path network Mesh Lite, developed by the software environment MatLab Simulink 7.0.1.

Key words: telemetry system, wireless network technology, coordinator, routing, selective interference, frequency hopping method.

Постановка проблеми. Засоби телеметрії є потужним інструментом пізнання світу. Телеметрія широко застосовується в сільському господарстві, системах водопостачання і водовідведення, медицині, оборонній промисловості і космосі, розвідці, авто- і мотоспорті, супутниковому моніторингу, енергетиці, системах безпеки тощо.

Однією з головних проблем, яка виникає при проектуванні телеметричних систем, є вибір технології передачі даних. У сучасних системах збору й обробки інформації бездротові елементи займають важливе місце. Це пов’язано як з їх меншою вартістю в порівнянні з кабельними системами, так і з простотою побудови таких систем на сучасній елементній базі.

На сигнал, що передається по радіоінтерфейсу між модулями бездротової мережі, впливають різні зовнішні завади. Особливо небезпечними є селективні завади, потужність яких може змінюватися у широкому діапазоні. Тому актуальною є проблема застосування в телеметричних системах технологій передачі даних, що забезпечують високі показники їхньої якості та завадостійкості.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Як середовище передачі даних у телеметрії використовуються як бездротові (GSM/GPRS, ZigBee, WiFi, WiMax, LTE), так і дротові (телефонні, ISDN, xDSL, комп’ютерні) мережі (табл.) [1]. Ключовими чинниками, що визначають вибір технології передачі інформації, є відстань, на яку передаються дані, швидкість передачі, сумісність з наявними стандартами, кількість пристроїв у мережі.

Таблиця

Порівняння основних характеристик бездротових технологій

Характеристики	GSM	ZigBee	Bluetooth	Wi-Fi	Wi-Max	Mesh Lite
Діапазон частот	850/900/ 1800/1900 МГц	2,4 ГГц 868 МГц 915 МГц	2,4 ГГц	2,4/5,8 ГГц	2–11 ГГц	868 МГц
Швидкість передачі даних	14,4–36,6 кбіт/c	250 кбіт/c	до 723 кбіт/с	11–54 Мбіт/c	2 Мбіт/сек	9,6–38,4 кбіт/с
Типові відстані (зона дії)	Зона покриття GSM	30–70 м	10–100 м	50 м	5–8 км	500–4000 м
Структура мережі	Точка-точка	Точка-точка, зірка	Точка-точка, зірка (до 8 пристроїв)	Зірка	Зірка	Зірка, Back Bone
Складність впровадження	Низька	Середня-висока	Низька-середня	Висока	Дуже висока	Низька
Сумісність	Обладнання GSM	Обладнання ZigBee з тим же профілем	Обладнання Bluetooth з тим же профілем	Обладнання стандарту 802.11.g (b)	Облад-нання стандарту 802.16	Обладнання виробника Telit RF

У багатьох практичних застосуваннях підвести дротові лінії зв’язку до об’єкта спостереження або надзвичайно складно, або неможливо фізично. У промислових телеметричних системах знаходять застосування практично всі стандарти бездротової передачі даних. Системи бездротової передачі даних характеризуються простотою інсталяції і високою надійністю. Так, телеметричні GSM/GPS-модеми дають змогу не тільки відстежувати переміщення певних об’єктів, але й отримувати в реальному часі дані про поточний стан його параметрів: температуру, рівень заряду акумуляторів, вологість, тиск, випромінювання тощо. Сучасні GSM-модеми мають розширений набір інтерфейсів, що дає змогу стикувати їх із великою кількістю промислового устаткування. Вони використовуються для отримання інформації про роботу заправних станцій, газорозподільних установок, стан систем живлення базових станцій стільникових операторів тощо.

Технологія Bluetooth широко застосовується як замінник кабельного з’єднання RS‑232. Простота впровадження, висока завадостійкість каналу зв’язку і велика швидкість передачі даних роблять Bluetooth-рішення дуже привабливими для отримання телеметричної інформації від промислового устаткування.

Технологія ZigBee чудово підходить для збору інформації з сотень датчиків. ZigBee-трансивери Texas Instruments використовуються національними виробниками для побудови систем промислової автоматики. На базі ZigBee-модулів XBee компанії Maxstream у США реалізована система контролю рівня води у високогірних озерах.

За потреби передавати великі об’єми даних, наприклад відеоінформацію, у системах телеметрії можуть застосовуватися технології Wi-Fi і Wi-Max.

У випадках, коли потрібно передавати телеметричну інформацію між двома точками на відстань 10…100 метрів ідеально підходять мікросхеми трансиверів, що функціонують у безліцензійних (ISM – Industrial, Scientific, Medical – промислові, наукові, медичні) радіочастотних діапазонах 433, 868 і 2400 МГц. Ці частоти можуть використовуватися без оформлення відповідного дозволу за умови дотримання вимог до ширини смуги пропускання, випромінюваної потужності (до 10 мВт для діапазону 434 МГц і до 25 мВт для діапазону 868 МГц) і призначення готового виробу.

Технологія Mesh Lite застосовується в системах контролю руху пасажирського транспорту, для управління джерелами вуличного освітлення та світлофорами, радіаційного контролю, в системах реєстрації аварійних параметрів, автоматичного регулювання, в медичному, біологічному моніторингу тощо.

Ця технологія має топологію на зразок «кластерне дерево» (Clаstеr Тrее) з можливістю використання окремих вузлів мережі як ретранслятори повідомлень з метою збільшення зони покриття мережі. До переваг технології Mesh Lite відносять також низьке енергоспоживання всіх пристроїв мережі, невелику вартість, автоматичне налаштування і відновлення, можливість дистанційного керування кожним вузлом.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Основна ідея мережі Меsh Lite була запозичена з протоколу мереж ZigBee з урахуванням особливостей роботи в діапазоні 868 МГц. Радіохвилі цього діапазону добре проникають крізь бетонні конструкції. Менше загасають, проходячи через цегляну кладку, на відміну від радіохвиль 2,4 ГГц (Wi-Fi). Невелика довжина хвилі (35 см) дає змогу використовувати компактні спрямовані антени з великим коефіцієнтом підсилення. Стаціонарні мережі, зорієнтовані на частоту 868 МГц, мають перевагу за дальністю передачі і швидкістю обміну інформацією [1].

У приймачах та передавачах для частот 434 МГц і 868 МГц реалізована амплітудна і частотна модуляції, швидкість передачі інформації – 1…10 кбіт/с, у деяких типів прийомо-передавачів вона досягає 100 кбіт/с. Для кодування інформації, переважно, використовують Манчестерський або Бі-фазний коди. Випромінювана потужність і чутливість можуть задаватися програмно або апаратно. Для зниження енергоспоживання передбачені спеціальні режими роботи. Тому використання цих радіочастот для організації простих з’єднань типу "точка-точка" або "зірка" з невеликими швидкостями обміну може бути гарною альтернативою бездротових технологій діапазону 2,4 ГГц. Однак потрібно пам’ятати, що класична область застосування діапазонів ISM 433 і 868 МГц – це системи автоматизації й управління побутовими та промисловими приладами всередині будівель, контролю та управління віддаленими параметрами і виробничими процесами, радіокеровані іграшки, системи охоронної сигналізації та безпеки. Всі ці системи поєднує одне – досить обмежений радіус дії, менша в порівнянні з діапазоном 2,4 ГГц швидкість передачі інформації, відсутність розроблених стандартних протоколів зв’язку і засобів захисту переданої інформації, в міських умовах – висока завантаженість діапазонів.

Використання виносних високоефективних антен із великим підсиленням, а також ретрансляторів відкриває нові горизонти використання цих радіочастотних ресурсів. Так, наприклад, модулі, розроблені французькою компанією Telit RF, дають змогу організовувати мережі збору даних або керування з радіусом дії вузлів до 1,5 км. Однією з технологій для побудови такої мережі є Mesh Lite.

На сигнал, що передається по радіоінтерфейсу між модулями бездротової мережі, діють як широкосмугові завади, які рівномірно впливають на різні частотні канали, так і вузькосмугові, вплив яких поширюється на деякі з них. Останні завади називаються частотно-селективними. Вони можуть бути безперервними в часі або мати перервний характер, дрейфувати і мати змінну потужність у широкому діапазоні. Це може спричинити істотне погіршення якості радіоз’єднання або повне роз’єднання [5].

Один із способів боротьби з частотно-селективними завадами – збільшення потужності сигналу. Проте подібний метод є енергетично неефективним за великих потужностей завад. Іншим методом є розширення спектра прямою послідовністю (DSSS – Direct-sequence spread spectrum). Для розширення спектра в системі DSSS вузькосмуговий сигнал множиться на високошвидкісну псевдовипадкову числову послідовність (ПЧП) імпульсів. Ступінь розширення спектра визначається відношенням частоти слідування імпульсів (частоти дискретизації) до частоти вузькосмугового сигналу. Виділення різних кодів ПЧП дає змогу розділяти користувачів у тому ж самому частотному діапазоні. Такий спосіб розділення каналів, як відомо, отримав назву множинного доступу з кодовим розділенням (Сode-division multiple access – CDMA).