МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Международный Университет Информационных Технологий

Кафедра «Компьютерная инженерия и телекоммуникации»

Отчет ___________________________________________________________

вид практики

________________________________________________________________

место практики

________________________________________________________________

предприятие

Руководитель от Руководитель от

предприятия университета

________________________И.О.Ф. ___________________И.О.Ф.

«____» __________________ 2016г. «___»______________2016 г.

Студент ___________________И.О.Ф.

Специальность______________ М.П. Группа ____________________

Алматы 2016 г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………...3

1. Общие сведения по беспроводным сенсорным сетям……………………...4 1.1 Беспроводная сенсорная сеть…………………………………………….4

1.2 Применение сенсорных сетей……………………………………………5

1.3 Выбор стандарта…………………………………………………………..6

1.4 Описание стандарта IEEE 802.15.4………………………………………8

1.5 Эффективная скорость передачи данных………………………………17

1.6 Расчет энергопотребления и времени работы…………………………19

Заключение…………………………………………………………………….……21

Список использованной литературы……………………………………………...22

Введение

Актуальность темы.В настоящее время в системах автоматизации, мониторинга за состоянием объектов все чаще успешно используется технология беспроводных сенсорных сетей (БСС).

В практическом применении наибольшее распространение получили стационарные беспроводные сенсорные сети, для которых характерно их фиксированное состояние в процессе работы. В последнее время в сенсорных сетях активно развивается направление, связанное с использованием для них автономных источников питания на базе альтернативных источников энергии.

Целью дипломной работы является повышение эффективности функционирования (БССС) с автономными источниками питания за счет уменьшения энергопотребления узлов сети и увеличения времени автономной работы.

Задачи исследований:

- обзор и анализ существующих механизмов обеспечения качества обслуживания для различных моделей передачи данных и методов энергетической балансировки в беспроводных сенсорных сетях;

- разработка метода и алгоритма энергетической балансировки стационарной БСС с автономными источниками питания;

Объектом исследования является беспроводная стационарная сенсорная сеть сбора данных с автономными источниками питания. Предметом исследования являются метод и алгоритм энергетической балансировки в беспроводной стационарной сенсорной сети сбора данных.

Методы исследования. Для реализации цели исследования и решения поставленных задач были использованы следующие научные методы и подходы: методы системного анализа, математического анализа и моделирования, методы дискретного программирования.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработан и исследован метод энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, уменьшающий энергопотребление узлов сети и увеличивающий продолжительность непрерывной работы такой сети;

- разработан и исследован алгоритм энергетической балансировки беспроводной стационарной сенсорной сети с автономными источниками питания, позволяющий решать практические задачи, в том числе и задачи большой размерности.

РГП Государственная Техническая Служба г.Алматы .

Данное предприятие занимается сопровождением системы мониторинга радиочастотного спектра и радиоэлектронных средств, национальной базы данных радиоэлектронных средств и радиочастотных присвоений, а также обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств высокочастотных устройств гражданского назначения на территории Республики Казахстан.

Также участвует в техническом сопровождении национальных электронных информационных ресурсов и информационных систем, интегрируемых в национальную информационную инфраструктуру Республики Казахстан.

1.Общие сведения по беспроводным сенсорным сетям.

1. Беспроводная сенсорная сеть

В настоящее время бурно развивается технология беспроводных сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети – это распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных элементов, обменивающихся информацией по беспроводной связи. Каждый элемент сети имеет автономный источник питания, микрокомпьютер, приемник/передатчик. Область покрытия сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров, в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Обмен данными между двумя конечными устройствами может осуществляться через ретранслятор, в том случае, если дальность работы этих устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким образом, устройства с малым радиусом действия с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом.

Выделяют следующие основные стандарты для маломощных беспроводных сетей:

• IEEE 802.15.4;

• ZigBee;

• Bluetooth;

• Wibree.

1.2 Применение сенсорных сетей

Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения, то есть мониторинга. Например, миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролировать работу жизненно важных органов и в случае каких-то опасных ситуаций сообщать врачу.

Небольшие размеры устройств позволяют проводить не только «поверхностные» наблюдения за пациентом, но и исследовать внутренние органы человека. Так при проведении гастроскопии в государственных больницах, поликлиниках применяют специальные аппарат, с гастроскопической трубкой, но не все пациенты могут её проглотить. На рынке уже существуют устройства в виде таблеток для проведения таких исследований. Эти устройства с батарейным питанием имеют запас энергии, достаточный того, чтобы непрерывно работать в течение 24 часов и отправлять показания другому устройству, которое пациент носит с собой в течение этого времени. После этого врач может анализировать полученные результаты и поставить точный диагноз.

Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освещения, когда человек входит в комнату, использоваться для управления каких-нибудь устройств (в системе «умный дом»).

Иногда требуется следить за подвижностью или разрушением каких-либо объектов, где трудно проложить кабели. Для этого опять же выгоднее применить сенсорные сети, так как датчики имеют автономный источник питания и они беспроводные.

Также технология беспроводных сенсорных сетей может быть использована для передачи звуковых данных – в качестве домофонной системы, мультимедиа системы с низким энергопотреблением.

1.3 Выбор стандарта

Различных стандартов беспроводных сетей существует великое множество, однако их всех можно подразделить на три группы: WPAN (Wireless Personal Area Network – беспроводная персональная сеть), WLAN (Wireless Local Area Network – беспроводная локальная сеть), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network – беспроводная сеть масштаба города) (Рис. 1). Из этих групп наиболее подходящими могут быть стандарты группы WPAN, так как они рассчитаны на низкоскоростные сети.

Рис.1 Стандарты беспроводных сетей

WPAN (Wireless Personal Area Network) беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15.

IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств (предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных). Использование полосы 2,4 ГГц и технологии модуляции O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют достигать скорости передачи в 55 Мб/с на расстояние до 100 метров. Защита данных может производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a предполагается увеличить пропускную способность до 480 Мб/с, а в случае спецификации 802.15.3b пропускная способность составит от 100 до 400 Мб/с. Данный стандарт предусматривается под достаточно большие скорости при передачи данных, а, следовательно, устройства, работающие на нем будут иметь высокое энергопотребление.

802.15.4 и Zigbee часто отождествляются, ведь в основе стандарта Zigbee лежит стандарт 802.15.4, однако консорциум ZigBee Alliance внес ряд изменений и расширил его. Стандарт 802.15.4 является открытым и его можно свободно скачать из Интернета и использовать, Zigbee же является наполовину открытым стандартом: так при использовании его в коммерческих целях необходимо вступать в ZigBee Alliance. К минусам данного стандарта можно отнести его закрытость, а также большая область применения, а не «заточенность» под конкретные цели.

Стандарт Bluetooth (802.15.1) на сегодняшний день хорошо развит и применяется для связи мобильных телефонов, КПК, периферии. Однако он не рассчитан на сети с низким энергопотреблением, что существенно ограничивает его распространение в сенсорных сетях. Устройства по стандарту Bluetooth могут объединяться в пикосети (не более 7 на одну сеть). В сети имеется ведущее и ведомое устройство. Для обмена данными используется так называемый нижний ISM-диапазон (Industry, Science and Medicine - промышленный, научный и медицинский) 2,4–2,5 ГГц, который распространен в бытовых приборах и беспроводных сетях. Для использования этих частот лицензия не требуется. Мощность передатчика-кристалла составляет 1 – 2,5 мВт и дальность действия до 10 м, а при увеличении мощности до 100 мВт – 100 м. Данный стандарт мог бы подойти для разработки, однако на рынке не имеются устройства, работающие по данному стандарту с низким энергопотреблением, они только предполагаются к выпуску на рынок.

Стандарт Wibree разработан фирмой Nokia в 2001 году. Wibree предназначен для работы бок о бок с Bluetooth. Он работает в диапазоне 2,4 ГГц с физической скоростью передачи 1 Мбит/с. Основные области применения включают такие устройства, как наручные часы, беспроводные клавиатуры, игрушки и спортивные датчики, где низкое энергопотребление является одним из ключевых требований. Данный стандарт можно отнести к стандарту Bluetooth, поэтому у него имеются такие же недостатки – количество подключаемых устройств ограничено, отсутствуют на рынке модули с низким энергопотреблением.

Сравнительная характеристика некоторых стандартов выглядит следующим образом (Таблица 1).

	Bluetooth	Wibree	ZigBee
Частота	2,4 ГГц	2,4 ГГц	2,4 ГГц
Потребляемая мощность	100 мВт	~10 мВт	30 мВт
Срок работы батареи	до 6 месяцев	1 - 2 года	0,5 - 2 года
Диапазон	10 - 30 м	10 м	10 - 75 м
Скорость передачи	1 - 3 Мб/с	1 Мб/с	25-250 Кб/с
Цена	3$	3,2$	2$
Топологии	Звезда, точка-точка, смешанная
Безопасность	128-битное шифрование
Время отклика	3 с	3 с	15 мс

Таблица 1: Сравнение стандартов беспроводных сетей

Наиболее подходящий стандарт 802.15.4, так как он является открытым, предназначен для низкоскоростных сетей с низким энергопотреблением.