Аппаратные средства измерения энергопотребления беспроводных сенсорных систем

Киреев А.О. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

Беспроводные сенсорные системы (БСС) находят широкое применение в самых разных областях жизнедеятельности человека. В военном деле и гражданских сферах цифровые системы подобного типа применяются для распределенного мониторинга состояния объектов, пространств и природных явлений. Основываясь на некоторых общих принципах, БСС, в зависимости от класса решаемых задач, значительно отличаются по применяемой элементной базе и алгоритмам функционирования.

Тем не менее, при проектировании любых сенсорных систем крайне важным остается вопрос снижения энергопотребления. Эта задача является весьма сложной и многоаспектной, требует комплексного подхода к ее решению [1, 2]. Узел БСС функционирует в десятках различных энергетических режимах,

адаптивно меняя профиль потребления отдельных блоков в зависимости от состояния объекта мониторинга, а также от параметров окружающей среды. Как правило, сердцем беспроводного датчика является цифровой сигнальный процессор, обладающий возможностью с высокой скоростью переключаться между режимами максимального быстродействия и пониженного энергопотребления. Профиль тока потребления устройства в этом случае становится ступенчатым и его оценка по параметрам максимального/минимального тока, указанного в спецификации на электронные компоненты, представляется весьма грубой и не соответствует действительности [1,3].

Таким образом, даже при тщательной проработке алгоритмов работы устройства и его математическом моделировании, существует необходимость продолжительного измерения и последующего анализа тока потребления реального функционирующего узла БСС. Существующие в настоящее время стандартные средства измерения (СИ) не позволяют производить данный анализ. Возможным вариантом является построение системы сбора данных на базе специализированных мультиметров компании National Instruments (NI) серии 4 0 6x или 4 07x. Однако стоимость только аппаратной части такой системы может превышать 10 тыс. долларов. Наиболее приемлемым в данной ситуации выглядит разработка специализированных датчиков тока с последующей цифровой математической обработкой результатов измерений.

Цифровая обработка полученного сигнала может производиться как полностью аппаратно, с применением высокоскоростного многоразрядного АЦП и микроконтроллера, так и с помощью технологии виртуальных приборов NI (в этом случае возможно применение значительно более дешевых измерительных плат). Первый вариант, обладая существенно меньшими возможностями по анализу и визуализации полученных результатов, тем не менее, является крайне полезным при проведении измерений в полевых условиях. Этот факт оказывает существенное влияние при разработке беспроводных сенсорных систем, так как всесторонний анализ профиля энергопотребления отдельного узла БСС в условиях лаборатории не может дать точный прогноз относительно параметров всей системы функционирующей в реальных условиях. Расхождение обусловлено в основном подсистемой передачи информации по радиоканалу, энергопотребление которой во многом определяется изменяющимися параметрами окружающей среды, физическим расположением узлов пространстве и алгоритмами их функционирования. Существенные изменения также может вносить тип объекта мониторинга - в том случае, если измерения являются непериодическими и определяются тактико-техническими характеристиками БСС и поведением объекта.

Рассмотрим подробнее структурные схемы предложенных вариантов построения измерителя энергопотребления для узлов БСС. На рисунке 1 представлена полностью аппаратная реализация измерителя энергопотребления узлов БСС.

Рисунок 1. Аппаратная реализация измерителя энергопотребления узлов БСС.

Датчик тока представляет собой преобразователь «ток-напряжение», управляемый микроконтроллером (МК). Микроконтроллер позволяет оперативно изменять коэффициенты усиления, переключать поддиапазоны измеряемого тока, производить калибровку датчика. В основе датчика лежит принцип измерения падения напряжения на токоизмерительном шунте, включенном в положительный или отрицательный полюс нагрузки, с последующим усилением с помощью прецизионного операционного усилителя [4]. Применение специализированных микросхем мониторов тока представляется неэффективным из-за большого динамического диапазона входного сигнала, а также импульсного характера токов, типичных для узлов БСС.

Аналого-цифровой преобразователь производит оцифровку сигнала датчика и передает данные на обработку в МК. Управление режимами работы АЦП также осуществляет микроконтроллер (генерация сигналов тактирования, выбор опорного напряжения и режимов выборки данных, калибровка и др. ) Стабилизатор напряжения необходим для нивелирования ошибок измерения, вследствие априорной нестабильности источника питания измерителя. Выбор источника опорного напряжения (ИОН) определяется схемотехнической реализацией датчика тока и АЦП, а также требованиями к точности измерений (большинство современных АЦП уже содержат интегрированный ИОН, хотя и обладающий невысокой стабильностью относительно специализированных микросхем).

Сбор и отображение информации о результатах измерений представляет собой отдельную задачу с различными путями решения. Это может быть графическое отображение информации на индикаторе (графическом, цифровом и т.д.) , передача информации через внешний проводной интерфейс (UART/RS232/RS4 85/USB/LAN и т.д.) а также передача информации непосредственно через сам исследуемый объект - узел беспроводной сенсорной сети. Первый вариант обладает наименьшей информативно-

стью, однако удобен для первоначальной оценки результатов измерений, а также при проведении испытаний в полевых условиях.

Использование проводного интерфейса позволяет получить полную информацию о продолжительных измерениях, но в тоже время требует разработки специализированных устройств сбора (в полевых условиях) или специализированного программного обеспечения (в условиях лаборатории). Кроме того, продолжительные полевые измерения будут ограничены объемом памяти (встроенной в МК или в отдельной микросхеме).

Вариант передачи информации непосредственно через сам исследуемый объект представляется наиболее приемлемым в полевых условиях и незаменим при оценке режимов энергопотребления беспроводной сенсорной сети в целом, когда необходимо получать информацию о десятках и сотнях измерений в реальном времени. В этом случае измерительную информацию после обработки узел БСС передает по радиоканалу на центральный узел. В этом случае не требуется применение отдельных микросхем памяти, внешнего интерфейса и/или индикатора. Для отображения информации об измерениях, возможно задействовать программное обеспечение центрального узла БСС.

Недостатком такого решения является влияние средства измерения на исследуемый объект, т.к. узлу БСС приходится затрачивать энергию на обмен с СИ, формирование информативного сообщения и передачу его по радиоканалу. Однако, данный недостаток можно частично устранить, применяя программные и алгоритмические методы. Например, возможно накапливать результаты измерений во внутренней памяти и осуществлять их передачу после предварительной обработки, сокращая количество выходов в эфир и объем передаваемой информации. Следует также отметить, что количество энергии, затрачиваемой на данные операции, будет неизменно, может быть заранее просчитано и учтено в программном обеспечении на центральном узле.

Альтернативой полностью аппаратной реализации измерителя энергопотребления является применение аппаратно-программного комплекса на базе измерительных плат N1 и программного обеспечения, созданного в среде ЬаЬУ1ЕИ. Подобное решение, в отличие от рассмотренного выше, обладает рядом существенных преимуществ. К ним следует отнести высокое быстродействие и меньшую конечную погрешность измерения, возможность проведения полнофункционального анализа профиля энергопотребления с получением совокупности энергетических характеристик узла БСС, существенно большую продолжительность непрерывных измерений (в рамках памяти на жестком диске ПЭВМ), широчайшие возможности по визуализации полученных данных.

На рисунке 2 представлена обобщенная структура аппаратно-программного комплекса измерения энергопотребления узлов БСС.

Рисунок 2. Аппаратно-программный комплекс измерения энергопотребления узлов БСС.

Аппаратные средства измерения энергопотребления беспроводных сенсорных сетей являются в настоящее время необходимым инструментом проектирования цифровых систем подобного класса. Более подробно системы сбора и отображения измерительной информации, а также методика и особенности цифровой обработки будут рассмотрены в дальнейших работах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киреев А.О. Эффективное управление энергопотреблением беспроводных сенсорных сетей информационно-измерительных систем. Надежность и качество: Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том 2. - Пенза: Инф.-изд. центр ПензГу, 2009. С.131-136.

2. Паттерсон Д., Диксон Д. Оптимизация потребления при разработке систем на цифровых сигнальных процессорах. // Новости электроники. - 2007. - №3. - С.27-31.

3. Пантелейчук А. Построение беспроводной сети датчиков на базе eZ4 3 0-RF250 0. // Электронные

компоненты. - 2008. - №4. - С.93-97.

4. Пушкарев М. Микросхемы измерения тока. //Компоненты и технологии - 200 6. - №10. - С.12-14