авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Топологические методы повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники

На правах рукописи

Образцов Сергей Александрович Топологические методы повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электроники Специальность 05.09.12 — Cиловая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Панфилов Дмитрий Иванович (г. Москва)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, генеральный директор ЗАО «ММП-Ирбис» Лукин Анатолий Владимирович (г. Москва) кандидат технических наук, инженер ООО «Инфинеон текнолоджис РУС» Обжерин Евгений Александрович (г. Москва)

Ведущая организация: ЗАО «Связь-инжиниринг» (г. Москва)

Защита состоится 31 мая 2012 г. в 16:00 на заседании диссертационного сове та Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, ауд. Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. Ремизевич Т. В.

к. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные беспроводные технологии позволяют со здавать принципиально новые устройства и системы, а при замене существующих проводных технологий — повышать гибкость и снижать стоимость жизненного цикла изделий. Примерами подобных устройств и систем в области промышлен ной электроники являются системы жизнеобеспечения зданий, включающие в себя управление электро-, тепло- и газоснабжением, вентиляцией и кондицио нированием, освещением, охранно-пожарной сигнализацией, контролем доступа, автоматизированные производственные линии, системы навигации и связи марш рутного и промышленного транспорта, подвижные установки, преобразователи и датчики в труднодоступных местах, на подвижных объектах, в агрессивных сре дах, под высоким напряжением и т. д.

Однако внедрение беспроводных технологий в большинстве перечисленных применений сдерживается двумя основными факторами: невозможностью дли тельной, в течение нескольких лет, работы от автономных источников тока из-за высокого энергопотребления радиопередатчиков и пониженной надежностью до ставки сообщений по сравнению с проводными технологиями. Первый фактор является ключевым для широкого класса объектов промышленной электроники (ОПЭ), особенно при размещении их в труднодоступных местах с необходимостью длительной работы без обслуживания. Основные методы снижения энергопотреб ления беспроводных устройств изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: А. В. Чечендаева, A. Koubaa, P. Jurcik, R. Severino, A. Cunha и др. Ана лиз работ указанных ученых показал, что наибольшим потенциалом снижения энергопотребления обладают беспроводные сети IEEE 802.15.4 с кластерной то пологией, работающие с высокой скважностью интервала активной работы узлов, причем потребляемая мощность существенно зависит от параметров и топологи ческой структуры сети.

Технологии на основе IEEE 802.15.4 обладают относительно малыми ско ростями передачи данных по сравнению с другими технологиями, однако, боль шинство ОПЭ характеризуется низкой интенсивностью обмена информацией, во много раз меньшей их предельной пропускной способности.

Второй фактор выступает на первый план в критических применениях, в ко торых недоставленное или несвоевременно доставленное сообщение может при вести к нарушению работоспособности устройства или системы либо к некаче ственному их функционированию. Данный фактор усугубляется еще и тем, что надежность доставки сообщений в беспроводных сетях не может быть определена или оценена с помощью простых расчетных соотношений, что затрудняет приня тие решения проектировщиком о применении беспроводной технологии вместо традиционной проводной.

Изложенные в работах отечественных и зарубежных ученых В. М. Вишнев ского, А. И. Ляхова, G. Bianichi, P. Park, A. Faridi и др. методы определения таких характеристик качества функционирования беспроводных сетей, как энергопо требления, надежности, времени доставки сообщений, применимы в большинстве случаев только к широко распространенным технологиям Wi-Fi и ZigBee, в то время как сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией, работающие с высокой скважностью, практически не изучены. Хотя спецификация ZigBee и основана на стандарте IEEE 802.15.4, сети с кластерной топологией в ней не описаны и не поддерживаются. Анализ работ указанных ученых показал, что надежность, так же как и энергопотребление, во многом определяется топологической структурой сети и сетевыми параметрами узлов.

Следует отметить, что вышеуказанные факторы являются взаимосвязанны ми, так, например, снижение потребляемой мощности посредством уменьшения выходной мощности радиопередатчиков приводит к ухудшению показателей на дежности.





Таким образом, разработка методов определения характеристик качества функционирования беспроводных сетей, таких как энергопотребление, надеж ность доставки сообщений, и основанных на них методов повышения эффек тивности работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в распределенных системах управления (РСУ) ОПЭ является актуальной научной и практической задачей, поскольку позволяет повысить время непрерывной рабо ты беспроводных устройств от автономных источников тока вплоть до нескольких лет с обеспечением требуемого уровня безотказности и качества функционирова ния РСУ.

Основные разделы диссертации соответствуют приоритетным направлениям «Информационно-телекоммуникационные системы» и «Энергетика и энергосбе режение», критической технологии «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем» из перечней приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации и критических технологий Россий ской Федерации.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реали зация топологических методов повышения эффективности работы беспроводных сетей в распределенных системах управления объектами промышленной электро ники. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Обоснование выбора беспроводной технологии IEEE 802.15.4 в качестве коммуникационной подсистемы РСУ с учетом предъявляемых ОПЭ требований.

2. Создание модели сетевого взаимодействия узлов для построения на основе стандарта IEEE 802.15.4 масштабируемой беспроводной сети с кластерной топо логией, на основе которой решается задача минимизации служебного трафика в РСУ ОПЭ.

3. Разработка методов управления топологической структурой беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих достижение заданных характеристик энер гопотребления беспроводных устройств и надежности доставки сообщений.

4. Программная реализация предложенных моделей и методов в виде сте ка протоколов сетевого и прикладного уровней для беспроводных сетей IEEE 802.15.4.

5. Оценка эффективности предложенных моделей и методов в сравнении с беспроводными сетями ZigBee.

6. Разработка аппаратно-программного инструментария, обеспечивающего возможность практического применения предложенных беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией в РСУ ОПЭ.

7. Разработка и исследование опытного образца автоматизированной системы управления наружным освещением, основанной на беспроводной сети с кластер ной топологией с использованием реализованного программного стека протоко лов.

Методы исследования: методы системного анализа, теории вероятностей, комбинаторики, теории массового обслуживания, теории графов, математического и имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, интерактивной отладки микропроцессорных систем с использованием интегриро ванной среды разработки для встраиваемых систем Freescale CodeWarrior.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование эффективности построения РСУ на основе беспроводных се тей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией для ОПЭ.

2. Модель сетевого взаимодействия узлов на сетевом и прикладном уровнях беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической структурой.

3. Математическая модель процесса передачи кадра узлом кластера с ис пользованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA.

4. Метод определения параметров кластера беспроводной сети IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с до стижением заданных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспровод ной сети IEEE 802.15.4 по заданным параметрам кластеров.

6. Применение имитационного моделирования работы беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee в составе РСУ ОПЭ для иссле дования эффективности предложенных моделей и методов.

7. Экспериментальная проверка рассчитанных на предложенной в диссер тации математической модели процессов передачи сообщений на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4.

Обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной ра боте, основана на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата, согласованно сти новых результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается прове денными имитационным моделированием и экспериментальными исследования ми, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных моделей и методов и работоспособности созданных алгоритмов.

Научная новизна:

1. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети с кластерной топологией, отличающаяся распределением функций опроса состоя ний узлов и сбора данных между координаторами сети и использованием разра ботанного пассивного дистанционно-векторного алгоритма маршрутизации, фор мирующего таблицу маршрутизации на основе анализа заголовков проходящих через координатор пакетов, что позволяет снизить объем передаваемого по сети служебного трафика, а следовательно, и потребляемую координатором мощность.

2. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кла стера с использованием механизма конкурентного доступа к среде CSMA-CA, отличающая учетом процессов распространения и приема радиосигнала и струк туры суперкадра в сетях с кластерной топологией, характеризующихся высокой скважностью интервала конкурентного доступа, позволяющая по заданным про странственной конфигурации узлов сети, параметрам физического и канального уровня и интенсивности передачи кадров вычислять потребляемую мощность, на дежность и среднее время доставки сообщений.

3. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4, отличающийся выполнением разбиения беспро водной сети на кластеры заданного размера с минимальной глубиной кластерного дерева, что позволяет формировать кластерную топологическую структуру бес проводной сети с достижением установленных характеристик энергопотребления и надежности с минимизацией времени доставки сообщений по дереву координа торов.

4. Обоснована эффективность предложенных моделей и алгоритмов в бес проводных сетях IEEE 802.15.4, применяемых в РСУ ОПЭ, по сравнению с тех нологией ZigBee по критерию энергопотребления.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, обеспечивающих минимизацию энергопотребления беспроводных устройств с достижением заданных характеристик надежности доставки сообще ний.

2. Разработан стек протоколов сетевого и прикладного уровней для суще ствующей аппаратной платформы XBee, позволяющий использовать существую щую элементную базу для создания устройств с улучшенными энергетическими и надежностными характеристиками.

3. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей РСУ ОПЭ, позволяющая на этапе проектирования системы управления проводить оценку эффективности принимаемых решений по критерия энергопотребления, надежности и времени доставки сообщения.

4. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств, обеспечивающие возможность применения предложенного стека про токолов при создании РСУ ОПЭ.

5. Создан опытный образец энергоэффективной системы управления наруж ным освещением с использованием разработанной беспроводной сети.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы реализованы в виде аппаратно программного обеспечения, включающего программный стек протоколов сетевого и прикладного уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и аппаратно-программные средства для его сопряжения с системами управления ОПЭ, использованной при создании автоматизированной системы управления на ружным освещением «Рассвет». Компоненты данной системы выпускаются пред приятием ООО «Энергоэффект-НН» (г. Нижний Новгород). В настоящее время система проходит опытную эксплуатацию на ул. Березовой г. Сарова Нижегород ской области.

Диссертационная работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2012 годы» (шифр темы 2008-6 2.6-31-01-004).

Апробация полученных результатов. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафед ры промышленной электроники Национального исследовательского университета «Москвоский энергетический институт»;

на XVI, XVII и XVIII Международных научно-технической конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010–2012 гг.;

на VII Межрегиональ ной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика», Смоленск, 2010 г.;

на V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань, 2010 г.;

на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ», Белгород, 2010 г.;

на итоговой научно-практической конференции по результатам выполнения мероприятий ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» за 2009 год, приоритетное направление «Энергетика и энергосбережение», г. Москва, 2009 г.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации отражены в 10 пуб ликациях, в том числе в 3 статьях в ведущих рецензируемых изданиях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 155 страницах, содержит 67 иллюстраций и 14 таблиц. Библиография вклю чает 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научных исследований беспроводных сетей в РСУ ОПЭ. Сформулированы цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе «Особенности применения технологий беспроводной пере дачи данных при разработке и реализации распределенных систем управления объектами промышленной электроники» рассмотрены структура и принципы по строения автоматизированных систем управления ОПЭ. Показано, что данные системы управления имеют иерархическую структуру, каждый уровень которой представляет собой замкнутый контур управления, причем скорость управляю щих процессов уменьшается при переходе на каждый вышележащий уровень.

ОПЭ, как правило, включает два контура управления (рис. 1).

Первичный контур образуют система управления, силовая схе Интерфейс связи ма преобразователя, нагрузка и датчики первичных величин (напря Контроллер жения и тока), причем управляю щими сигналами в данном конту II Система ре являются входные сигналы управления преобразователем полупроводниковых приборов. Вто ричный контур охватывает взаимо Датчики действующий с РСУ через интер Силовая Нагрузка вторичных схема величин фейс связи контроллер, первичный контур и датчики вторичных вели чин, фиксирующие целевой резуль Датчики первичных I — первичный контур тат работы нагрузки, напри величин I II — вторичный контур мер, световой поток источника све та, частоту вращения вала электро Рис. 1. Структура ОПЭ двигателя и т. д. В настоящее вре мя наметилась тенденция совмещения системы управления преобразователем и контроллера в одной микропроцессорной системы (микроконтроллере), поэтому процессы управления преобразователем, вторичным контуром управления и про цессы взаимодействия с другими ОПЭ распределенной системы управления через интерфейс связи не могут быть разделены друг от друга.

Показаны преимущества коммуникационной подсистемы РСУ ОПЭ на осно ве беспроводных сетей. Сформулированы критерии эффективности работы бес проводных сетей в распределенных системах управления, заключающиеся в ми нимизации потребляемой узлами сети мощности Pпотр min, (1) обеспечении заданной надежности доставки сообщений pн и живучести беспро водной сети pжив — вероятности безотказной работы узлов сети в случае выхода из строя одного из них pн, (2) pн pжив, (3) pжив а также в своевременной доставке сообщений за время TD max с заданной вероят ностью рдост P (TD TD max ) pдост. (4) На основании критериев (1)–(4), а также требований к масштабируемости се ти, т. е. возможности увеличения количества узлов, проведен анализ применимо сти современных беспроводных технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee для постро ения РСУ ОПЭ, результаты которого представлены в табл. 1. Данный анализ по казал соответствие архитектуры технологий Wi-Fi (IEEE 802.11) и ZigBee (IEEE 802.15.4) требованиям, предъявляемым к ОПЭ. Однако по результатам дополни тельно проведенной оценки энергетической эффективности физического уровня технологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee технология ZigBee при равной вероятности ошибки при приеме кадра Pf и одинаковой мощности передатчика обеспечивает наилучшую дальность связи. Данное положение проиллюстрировано рис. 2, где кривая зависимости Pf от дальности связи L для ZigBee проходит правее кривых, соответствующих Wi-Fi и Bluetooth.

Показано, что в классе беспро Pf водных сетей IEEE 802.15.4 наимень шим энергопотреблением обладают сети с кластерной топологией, поз воляющие добиться длительной ра боты беспроводных устройств от ав тономных источников тока вплоть до нескольких лет. При этом эффектив ность таких сетей существенно зави сит от режимов работы и топологи- IEEE 802.11b (Wi-Fi) IEEE 802.15.1 (Bluetooth) ческой структуры. IEEE 802.15.4 (ZigBee) L, м На основании данных положений в качестве объекта исследования в Рис. 2. Зависимости вероятности ошибки приема диссертационной работе выбраны бес- кадра от дальности связи проводные сети IEEE 802.15.4 с кла стерной топологией, а предметом — методы повышения их эффективности за счет управления топологической структурой.

Вторая глава «Разработка методов и алгоритмов управления топологической структурой беспроводных сетей в распределенных системах управления» посвя щена созданию стека протоколов сетевого и прикладного уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией.

Таблица 1. Сопоставление беспроводных технологий Критерии IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15. Ad hoc Структур. Многоячейк. Кластерная Энергопотребление – +/– – + + Надежность – + – + + Живучесть + – + +/– – Синхронность – + – + + Масштабируемость + + + + – Поскольку кластерная топология не поддерживается технологией ZigBee, в диссертационной работе поставлена задача создания иной модели сетевого вза имодействия узлов, минимизирующей объем передаваемого по сети служебного трафика и, как следствие, потребляемую мощность благодаря учету присущих РСУ ОПЭ видов трафика: управляющих команд, уведомлений, опроса состояний узлов и сбора данных (табл. 2), для каждого из которых используется свой способ передачи пакетов.

Пакеты управляющих команд имеют длину, сопоставимую с длиной слу жебных пакетов, формируемых используемым в технологии ZigBee алгоритмом дистанционно-векторной маршрутизации AODV, поэтому вместо широковеща тельной рассылки служебных пакетов поиска маршрута и последующей пере сылки пакета с данными предложено сразу широковещательно передавать пакет с данными. Во избежание загрузки сети широковещательным трафиком при по вторной передачи сообщения по тому же маршруту предложен алгоритм пассив ной дистанционно-векторной маршрутизации (ПДВМ). Данный алгоритм анали зирует заголовки пакетов, проходящих через координатор и заносит в таблицу маршрутизации соответствующие им обратные маршруты, получаемые по адресу отправителя и адресу промежуточного узла, от которого принят пакет. В малых сетях алгоритмы AODV и ПДВМ полностью заполняют таблицу маршрутизации, после чего пересылка пакетов производится по найденным маршрутам. В масшта бируемых сетях переполнение таблицы маршрутизации приводит к необходимо сти поиска маршрута при каждой пересылке пакета, в такой ситуации алгоритм ПДВМ позволяет существенно сократить объем передаваемого по сети трафика по сравнению с AODV.

При маршрутизации уведомлений используется свойство иерархичности кластерной топологии — каждый координатор является узлом вышестоящего ко ординатора, начиная с корневого. Поэтому пакет с уведомлением переправляется всегда в направлении вышестоящего координатора.

Функции опроса состояний узлов и сбора данных распределены между ко ординаторами беспроводной сети. Каждый координатор собирает данные внут ри своего кластера, объединяет их в единый пакет и отправляет корневом ко ординатору. При опросе состояний узлов уведомление корневому координатору отправляется лишь в случае смены состояния. Такой подход позволяет решить проблему перегрузки узлов, расположенных вблизи корневого координатора, про являющуюся при централизованном опросе узлов и сборе данных. Эффективность Таблица 2. Виды трафика Вид трафика Отправитель Получатель Длина, байт Управляющие команды Любой узел Любой узел 2– Уведомления Любой узел Корневой координатор 2– Опрос узлов Координатор Узлы кластера 2– Сбор данных Координатор Узлы кластера 2– подхода проиллюстрирована рис. 3, на котором незаштрихованные поля пакетов соответствуют служебным заголовкам, заштрихованные — полезным данным. В представленном примере объем передаваемого служебного трафика снижен в раза.

Предложенная модель сете вого взаимодействия по сравне- PAN нию с ZigBee позволяет снизить объем передаваемого по сети слу- PAN жебного трафика и, как следст вие, потребляемую координато- PAN ром мощность, а также упростить PAN требования к аппаратным средст вам координатора, в частности, к объему памяти для хранения таб- лицы маршрутизации. 3 пакеты Структуры кластера и дере- пакеты ва координаторов топологически кадр-маяк различны, поэтому в диссертаци онной работе произведена деком- Централизованный Децентрализованный позиция задачи формирования эф- опрос опрос фективной кластерной топологии Рис. 3. Централизованный и децентрализованный на две подзадачи: определения па- опрос узлов в сети раметров кластера и разбиение се ти на кластеры с заданными параметрами.

Первая подзадача решена с помощью разработанного метода определения параметров кластера на основе построенной математической модели процесса пе редачи кадра узлом кластера. Вторая подзадача решена с использованием разра ботанного алгоритма формирования кластерной структуры.

Математическая модель процесса передачи построена в виде трехмерной це пи Маркова со множеством состояний {s(t), c(t), r(t)| t = nT, n N {0}}, двух мерная проекция которой для первой попытки передачи (r(t) = 0) представлена на рис. 4. На рисунке отмечены римскими цифрами классы состояний, в которых может находиться узел в процессе передачи кадра: отсрочка передачи (I), оценка занятости канала (II), передача кадра (III), ожидание и прием кадра-квитанции (IV), ожидание начала нового суперкадра при отложенной передачи (V). Данная модель отличается от наиболее удачной существующей модели P. Park учетом эффекта отложенной передачи, проявляющегося в сетях, работающих со скваж ностью выше 1.

Переход из одного состояния в другое происходит на каждом интервале от срочки Tb = 0, 32 мс в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4. В диссертаци онной работе определены вероятности переходов между состояниями, с исполь III IV Передача завершена D 1 PF 1 1 1 –2, 0, 0 –2, L–1, 0 –2, L, 0 –2, L+1, D PF ND 1 PF 1 1 –1, 0, 0 –1, L–1, 0 –1, L, 0 –1, L+1, ND PF Новый кадр I (1 P )/ 1/ D W II W 1/ W 1 1 1 PD 1 1 0, W –2, 0 0, –1, 0 0, 0, 0 0, 1, 0 0, 2, 0 0, W0 –1, P/ D PD W 1/N V 1/N 1 1 1 1 0, –N–3, 0 0, –N–2, 0 0, –N–1, 0 0, –2, I 1/ (1 P )/ W II D 1/ W1 W 1 1 1 1 PD 1, –1, 0 1, 0, 0 1, 1, 0 1, 2, 0 1, W1 –2, 0 1, W1–1, P/ D PD W 1/N V 1/N 1 1 1 1 1, –N–3, 0 1, –N–2, 0 1, –N–1, 0 1, –2, I (1 P )/ 1/ D WM WM II 1/ WM 1 1 1 PD 1 1 M, W –2,0 M, WM–1, M, –1, 0 M, 0, 0 M, 1, 0 M, 2, 0 M P/ D PD WM 1/N V 1/N 1 1 1 1 M, –N–3, 0 M, –N–2, 0 M, –N–1, 0 M, –2, Ошибка К следующей доступа попытке к среде Рис. 4. Цепь Маркова для первой попытки передачи кадра зованием которых совместно с условием нормировки bi,j,k = 1 (5) i j k численными методами получены стационарные вероятности нахождения узла в каждом состоянии bi,j,k = lim P {s(t) = i, c(t) = j, r(t) = k}. (6) t Значения стационарных вероятностей bi,j,k зависят от скважности интервала работы узлов кластера, от количества и пространственного расположения узлов в кластере, интенсивности передачи пакетов и прочих параметров.

С использованием стационарных вероятностей получены выражения для:

– потребляемой мощности оконечных узлов R M Tb Pпр (2 ) bs,0,r + L · Pпд + 2Pпр Pпу = b1,0,r + b2,0,r, (7) r=0 s= где = 1 с, 1/ — скважность работы узлов кластера, Pпр и Pпд — потребля емая мощность в режиме приема и передачи соответственно, — вероятность занятости канала при первой оценке занятости (рис. 4), L — длина сообщения в десятках байт;

– потребляемой мощности координатора Pпк = Pпр + nPпд, (8) где — интенсивность передачи кадров оконечным узлом, кадров/с;

– надежности доставки сообщений R b1,0,r D b2,0,r ACK ND pн = (1 PD ) 1 1 PF + 1 PF, (9) PF b0,0,0 b0,0, r= A где PD — вероятность отложенной передачи, PF CK — вероятность ошибки при D ND приеме кадра-квитанции, PF и PF — вероятности возникновения ошибки при отложенной и обычной передаче кадра (рис. 4);

– среднего времени доставки сообщений M R 1 b1,1,1 bs,0,r TD = Tb (1 PD ) + Tna PD (1 PD ), (10) b0,0,0 b0,0, s=0 r= где Tna — длительность паузы между активными интервала суперкадра.

На основе предложенной математической модели и выражений (7)–(10) раз работан метод определения параметров кластера беспроводной сети, обеспечива ющих достижение заданных показателей надежности и времени доставки сооб щений и минимизацию потребляемой мощности. В соответствии с данным мето дом выделены три независимых параметра: период синхронизации, длительность интервала конкурентного доступа и количество оконечных узлов в кластере n, варьированием которых с учетом ограничений (2)–(4) методом покоординатного спуска производится минимизация потребляемой координатором мощности Pпк, либо для сетей с возможностью смены роли координаторов — суммы потребляе мой оконечным узлом кластера мощности и удельной потребляемой координато ром мощности в расчете на один узле кластера: Pпу + Pпк /(n + 1).

После определения параметров и размеров кластеров их необходимо связать в единую беспроводную сеть. Для решения данной задачи в диссертационной ра боте разработан алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4. Данный алгоритм предварительно с помощью волнового метода Ли разбивает беспроводную сеть на «эшелоны», т. е. области сети с одинаковым маршрутным расстоянием до корневого координатора. Далее в указанных областях производится поиск групп узлов, находящихся в области взаимной радиовидимости, из которых и формируются кластеры с заданными параметрами. Работоспособность алгоритма подтверждена на тестовых примерах.

Минимизация времени доставки сообщений по дереву координаторов обеспечива ется формированием дерева минимальной глубины с помощью волнового метода Ли.

Предложенная модель сетевого взаимодействия, метод определения парамет ров кластера и алгоритм формирования топологической структуры реализованы в виде программного обеспечения стека протоколов сетевого и прикладного уровней на языке C++ с использованием интегрированных средств разработки встраива емых систем CodeWarrior. Разработанный программный стек протоколов адапти рован для аппаратной платформы MC1321x Freescale Semiconductor, являющейся основой серийно выпускаемых полнофункциональных модулей XBee и XBee Pro.

Программный стек протоколов выполнен по объектно-ориентированной архитек туре с выделением подуровней передачи данных и управления сетью каждого уровня в виде отдельных объектов.

В третьей главе «Оценка эффективности работы беспроводных сетей рас пределенных систем управления объектами промышленной электроники на при мере установки наружного освещения» разработана методика имитационного мо делирования беспроводных сетей распределенных систем управления объектами промышленной электроники и получены результаты моделирования для ряда те стовых примеров.

Обоснован выбор среды имитационно-событийного моделирования телеком муникационных сетей ns2 с открытым исходным текстом, позволяющую прово дить моделирование беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с помощью модуля, раз работанного M. Zheng и M. J. Lee. В главе проведена необходимая доработка программного обеспечения ns2 для обеспечения возможности определения ха рактеристик качества моделируемой сети: энергопотребления и среднего времени доставки сообщений. Сформированы тестовые примеры топологий: линейная, рав номерная плоскостная, прямоугольная («квартальная сеть»), радиально-кольцевая и смешанная. На языке программирования OTcl описаны поведенческие сценарии работы разработанной беспроводной сети и сети ZigBee в двух режимах работы:

Таблица 3. Результаты оценки эффективности разработанной беспроводной сети и ZigBee Пример топологии Кол-во Разработанная сеть ZigBee узлов Pпк, мВт Pпу, мВт Tд, мс Pпк, мВт Pпу, мВт Tд,мс Линейная 200 22 1,4 690 178 1,3 Равномерная плоскостная 225 30 1,8 430 200 2,0 Прямоугольная 245 22 1,4 570 182 1,3 Радиально-кольцевая 230 25 1,5 480 186 1,5 Смешанная 240 26 1,5 500 190 1,4 pнад TD, мс 1 0. 0. 0. 0. 0., кадров/с, кадров/с 0. 1 0 1 2 3 1 0 1 2 10 10 10 10 10 10 10 10 10 а) б) Рис. 5. Теоретические и экспериментальные зависимости надежности и среднего времени доставки сообщений передачи сообщений (управляющих команд и уведомлений) и опроса состояний узлов. Результаты имитационного моделирования представлены в табл. Сопоставление полученных характеристик показывает эффективность разра ботанной беспроводной сети с точки зрения энергопотребления. Худшие показа тели времени доставки сообщений по беспроводной сети с кластерной топологией вызваны ее высокой скважностью работы.

Для подтверждения обоснованности и адекватности разработанной во второй главе математической модели процесса передачи кадра узлом кластера поставле на задача проведения экспериментальных исследований физического и канального уровней беспроводной сети IEEE 802.15.4. Для этого проведены две серии экс периментов по исследованию свойств канала передачи данных и взаимодействия узлов внутри кластера соответственно.

При постановке эксперимента использованы отладочные модули 1321x-SRB и 1321x-NCB фирмы Freescale Semiconductor. Первая серия экспериментов прово дилась с использованием двух беспроводных устройств, одно из которых после довательно передавало 10 000 кадров, а второе подтверждало получение каждого кадра передачей сообщения с уровнем принятого сигнала. По количеству недо ставленных сообщений определялась вероятность ошибки приема кадра Pf в кана ле связи, по уровню принятого сигнала — величина потерь при распространении радиосигнала. В результате эксперимента получены экспериментальные зависи мости вероятности ошибки приема кадра от расстояния между узлами, которые соответствуют представленным в главе 1 теоретическим зависимостям с расхож дением не более 10% (рис. 2).

Вторая серия экспериментов моделировала процесс взаимодействия узлов кластера в при получении доступа к среде и передаче кадра. Эксперимент прово дился с одним координатором и оконечными узлами в количестве от двух до пяти.

Оконечные узлы передавали кадры длиной 25 байт с заданной эффективной ин тенсивностью. При этом один из оконечных узлов использовался в качестве кон трольного для определения количества доставленных сообщений, среднего вре мени доставки и энергопотребления. Получены экспериментальные зависимости надежности и среднего времени доставки сообщений от количества узлов n и интенсивности передачи пакетов (рис. 5, а и б), которые подтверждают адек ватность предложенной математической модели.

Четвертая глава «Разработка аппаратно-программных средств сопряжения беспроводных устройств с системами управления ОПЭ» посвящена созданию ин струментария, обеспечивающего возможность применения предложенных беспро водных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией при разработке систем управления объектами промышленной электроники.

Рассмотрены основные типы стандартизованных интерфейсов управления ОПЭ на примере электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА): «1–10 В», DALI, DSI и фазовое управление, для которых предложены способы сопряжения с беспроводными устройствами IEEE 802.15.4. Показано, что представленные спо собы сопряжения могут быть реализованы простыми средствами с использова нием драйверов аппаратных интерфейсов и модификацией программного обеспе чения беспроводных устройств. При этом увеличения вычислительной мощности аппаратных средств не требуется.

Разработана технология загрузки программного обеспечения в закрытую ап паратную платформу XBee, позволяющая применять серийно выпускаемые радио модули для создания беспроводных сетей с различными стеками протоколов на основе IEEE 802.15.4.

При внедрении и эксплуатации беспроводных сетей в РСУ ОПЭ необходимо производить их настройку: присвоение адресов, выбор режимов работы, диагно стику неисправностей, а также обновление встроенного программного обеспече IEEE 802.15. АРМ АРМ АРМ диспетчера диспетчера диспетчера Линия питания Пункт питания Интернет GSM Линия питания Сервер АРМ GSM контролера Пункт питания Линия питания Рис. 6. Структура АСУНО «Рассвет» ния беспроводных устройств. Для обеспечения возможности выполнения пере численных работ разработано специализированное сервисное устройство, позво ляющее существенно повысить производительность труда персонала за счет ав томатизации процесса настройки и удаленного выполнения всех операций через беспроводной интерфейс.

В пятой главе «Реализация интеллектуальной установки наружного осве щения с беспроводной системой управления» представлен пример практического использования разработанной беспроводной сети для создания интегрированной автоматизированной энергосберегающей системы управления наружным освеще нием.

Показана возможность снижения энергопотребления установок наружного освещения в соответствии с действующими нормативными документами, устанав ливающими нормы яркости дорожного покрытия в зависимости от интенсивности движения транспорта.

Классические системы управления наружным освещением такие, как TELEA (Thorn Lighting), системы на базе технологии LonWorks (Echelon), АСУНО «Горсвет» (НПП «Горизонт»), АСУНО «Аврора» (НИИ точной механики), строятся по жесткому централизованному принципу, при ко тором сервер диспетчерского пункта собирает ин формацию о режимах работы и состоянии каждо го светильника, сведения об уровне яркости до рожного покрытия и интенсивности движения на улицах с соответствующих датчиков и принима ет решения по установлению уровней светового потока каждого светильника в отдельности или группы светильников. Данный подход обладает известными недостатками, поэтому в работе пред ложен основанный на концепции многоагентных систем децентрализованный подход к построению системы управления наружным освещением, при котором часть функций управления и мониторин га передается от диспетчерского сервера в пункты питания и светильники. Рис. 7. Вводно-распределитель Представлены результаты реализации децен- ный шкаф пункта питания трализованного подхода при построении автома тизированной системы управления наружным освещением (АСУНО) «Рассвет» (рис. 6), разработанной на кафедре промышленной электроники НИУ «МЭИ».

Данная разработка представляет собой комплексное решение, включающее все необходимые элементы и оборудование для создания новых и модернизации су ществующих установок наружного освещения: светильники с ЭПРА, оборудова ние пункта питания и программно-информационное обеспечение диспетчерского пункта в составе информационно-управляющего сервера и автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера.

ЭПРА имеет два канала питания источников света: нерегулируемый для ме таллогалогенной лампы и регулируемый для светодиодных модулей. Особенно стью реализации ЭПРА является интеграция функций системы управления по лупроводниковым преобразователем и функций узла беспроводной сети в одном микропроцессорном модуле.

Разработанный вводно-распределительный шкаф пункта питания (рис. 7) со держит блок группового управления (БГУ), GSM-модем, счетчик электроэнергии, коммутационную аппаратуру, релейную защиту и т. п. БГУ является его цен тральным узлом, в котором сходятся все информационно-управляющие сигналы:

управления и контроля коммутационных аппаратов, контроля состояния аппа ратов релейной защиты линий питания светильников, информационного интер фейса счетчика электрической энергии, через который считывается получасовой профиль энергопотребления, потарифные суточные и месячные показания, а так же текущие значения напряжения, тока и потребляемой мощности, интерфейса GSM-модема и беспроводного интерфейса IEEE 802.15.4.

В настоящее время АСУНО «Рассвет» проходит опытную эксплатацию в г.

Сарове Нижегородской области.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен сравнительный анализ беспроводных технологий Wi-Fi (IEEE 802.11), Bluetooth 1.0–2.1 (IEEE 802.15.1) и ZigBee (IEEE 802.15.4) по крите риям энергопотребления, надежности и времени доставки сообщений. Показано, что сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологией обладают наилучшими возмож ностями по минимизации потребляемой мощности.

2. Предложена модель сетевого взаимодействия узлов беспроводной сети IEEE 802.15.4 с кластерной топологической структурой, позволяющая снизить объем передаваемого по сети служебного трафика.

3. Разработана математическая модель процесса передачи кадра узлом кла стера с использованием механизма конкурентного доступа CSMA-CA, позволя ющая по заданным пространственной конфигурации узлов сети, параметрам фи зического и канального уровня и интенсивности передачи кадров определять по требляемую мощность, надежность и среднее время доставки сообщений в кла стере.

4. На основе математической модели процесса передачи кадра разработан метод определения параметров кластера беспроводных сетей IEEE 802.15.4, ми нимизирующий энергопотребление беспроводных устройств с достижением задан ных характеристик надежности доставки сообщений.

5. Предложен алгоритм формирования кластерной топологической структуры беспроводной сети IEEE 802.15.4 по заданным сетевым параметрам и конфигура ции кластеров, минимизирующий время прохождения пакета по дереву координа торов.

6. Предложенная модель сетевого взаимодействия реализована в виде про граммного стека протоколов.

7. Разработана методика имитационного моделирования беспроводных сетей IEEE 802.15.4 при работе в распределенной системе управления. Проведено моде лирование беспроводных сетей IEEE 802.15.4 с кластерной топологией и ZigBee, результаты которого показывают, что энергопотребление сетей с кластерной то пологией существенно ниже, чем в технологии ZigBee.

8. Проведены экспериментальные исследования процессов передачи сообще ний на физическом и канальном уровнях в беспроводных сетях IEEE 802.15.4, подтверждающие обоснованность и адекватность разработанной математической модели.

9. Разработаны аппаратно-программные средства сопряжения беспроводных устройств с системами управления объектами промышленной электроники.

10. Разработан опытный образец интеллектуальной системы управления на ружным освещением с использованием реализованного в диссертационной работе стека протоколов беспроводной сети.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ведущих рецензируемых изданиях 1. Образцов С. А., Панфилов Д. И. Децентрализованная беспроводная систе ма управления наружным освещением // Светотехника. 2012. №1. С. 32–36.

2. Образцов С. А., Панфилов Д. И. Реализация GSM шлюза для работы с беспроводными сетями на базе стандарта IEEE 802.15.4 // Автоматизация и со временные технологии. 2011. №8. С. 14–19.

3. Образцов С. А. Навигация и связь в системах городского электрического транспорта с применением беспроводных сетей IEEE 802.15.4 // Автоматизация в промышленности. 2011. №1. С. 31–33.

В других изданиях 4. Образцов С. А. Оценка надежности беспроводных систем управления на основе сетей IEEE 802.15.4 // Тез. докладов XVIII Международной научно технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электро техника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2012. Т. 1. С. 253.

5. Образцов С. А. Имитационное моделирование беспроводных управляющих сетей // Тез. докладов XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. Т. 1. С. 261–262.

6. Образцов С. А. Разработка принципов построения интеллектуальных си стем уличного освещения // Тез. докладов XVI Международной научно-техничес кой конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 1. С. 257–258.

7. Образцов С. А. Реализация стека протоколов распределенной беспровод ной промышленной сети на базе IEEE 802.15.4 // Тез. докладов XVI Междуна родной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектро ника, электротехника и энергетика». — Москва: Издательский дом МЭИ, 2010.

Т. 1. С. 259–260.

8. Образцов С. А. Программная реализация стека протоколов беспроводной сети интеллектуальной системы освещения // Сб. трудов VII Межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные тех нологии, энергетика и экономика». Смоленск: филиал ГОУ ВПО «МЭИ(ТУ)» в г.

Смоленске, 2010. Т. 2. С. 175–179.

9. Образцов С. А. Построение интеллектуальной системы наружного освеще ния с использованием многоагентного подхода // Тез. докладов V Международ ной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». — Казань: КГЭУ, 2010. С. 151–154.

10. Образцов С. А., Панфилов Д. И. Интеллектуальное управление распре деленной системой освещения // XXIII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ». — Белгород, 2010.

С.56–60.

В совместно опубликованных работах Образцовым С. А. предложены: децен трализованный подход к построению интеллектуальных систем управления на ружным освещением, архитектура и программная реализация программно-инфор мационного обеспечения диспетчерского пункта [1], аппаратно-программная мо дель, структурные и принципиальные схемы шлюза GSM — беспроводная сеть IEEE 802.15.4 [2], подход к построению распределенной системы управления на ружным освещением и метод определения ее надежности [10].

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить свою глубокую благодарность научному руководителю — д. т. н., профессору Пан филову Дмитрию Ивановичу за постоянное внимание, научно-методические консультации и поддержку.

Автор признателен доцентам кафедры промышленной электроники Мос ковского энергетического института Ремизевич Татьяне Вячеславовне и По лякову Валерию Дмитриевичу за оказанную методическую помощь и поддерж ку при выполнении диссертационной работы.

Автор выражает благодарность инженерно-техническим работникам ООО «Энергоэффект-НН» и ООО «Энергетическая компания Сарова» за пре доставленную техническую информацию и полезные советы при разработке интеллектуальной системы управления наружным освещением и оказанное содействие при ее практической реализации и внедрении.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.