Беспроводные сенсорные сети в сфере технологий охраны объектов

Киреев А.О., Светлов А.В. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ В СФЕРЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ

Устоявшийся термин «беспроводная сенсорная сеть» (БСС) обозначает новый класс беспроводных систем, которые представляют собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных электронных устройств с автономными источниками питания. Интеллектуальные узлы такой сети способны ретранслировать сообщения по цепи, обеспечивая значительную площадь покрытия системы при малой мощности передатчиков и, следовательно, высокой энергетической эффективности системы.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам организации автоматизированного мониторинга территорий с целью получения оперативной информации о наличии нарушителя, его перемещении и несанкционированных действиях на территориях, прилегающих к особо важным (ядерным, правительственным, военным) объектам, к государственной границе, или находящихся в зоне ответственности разведподразделе-ний (мониторинг участков фронта, тыловых коммуникаций противника). Для рационального решения данных задач необходимо использовать новое поколение технических средств и алгоритмов, принципиально отличающихся от применяемых в настоящее время. Наиболее перспективным направлением в этой области следует признать создание беспроводных сенсорных сетей. Именно они дают возможность обеспечить тотальный целенаправленный мониторинг больших территорий.

Применительно к системам охраны объектов БСС должны обнаруживать и классифицировать нарушителя, определять координаты, прогнозировать траектории его движения. Обладая распределенным интеллектом, система самостоятельно обеспечивает изменение направления потоков информации, например, в обход вышедших из строя или временно не функционирующих узлов, организует надежную передачу информации на всей контролируемой территории и на центральный пункт.

Перспективными являются также БСС, в которых приемопередатчик каждого сенсора будет являться фактически датчиком обнаружения объекта (эффект снижения уровня несущей в радиоканале вследствие появления объекта в зоне действия сети).

Для обеспечения высокой надежности и защиты передаваемой информации в БСС следует разрабатывать собственные радиопротоколы, устойчивые к изменению характеристик канала связи, радиоподавлению, к перехвату и имитации данных. В этом случае целесообразным является использование технологий расширения спектра - методами DSSS (прямой числовой последовательности) и FHSS (скачкообразной перестройки частоты) .

Что касается механизмов доступа к среде передачи данных, то здесь появляются взаимоисключающие требования высокой энергетической эффективности системы и минимальных временных задержек распространения данных в БСС. Использование в качестве базового алгоритма CSMA/CA (множественный доступ к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий) имеет свой недостаток - устройства сети должны находиться в режиме постоянного прослушивания эфира, что приводит к росту энергопотребления. В полностью асинхронных сетях этот алгоритм малоэффективен [1].

Наиболее приемлемым в такой ситуации выглядит алгоритм «слотового» CSMA/CA, совмещающий принципы синхронизированного доступа (временное разделения TDMA) и доступа на конкурентной основе.

Среди открытых стандартов в области беспроводных сенсорных сетей на сегодняшний момент ратифицирован только стандарт ZigBee, основанный на принятом ранее стандарте 802.15.4, который описывает физический уровень (PHY) и уровень доступа к среде (MAC) для беспроводных персональных сетей (WPAN). Эта технология изначально была разработана для задач, не требующих высоких скоростей передачи информации. Устройства таких сетей должны быть максимально дешевыми, со сверхнизким потреблением энергии [2] .

Среди несомненных преимуществ ZigBee-решений следует отметить и существенные недостатки. Например, наличие трех различных классов устройств (координаторов, маршрутизаторов и оконечных устройств) существенно снижает отказоустойчивость сети в случае выхода из строя отдельных ее элементов. Кроме того, такое построение требует планирования размещения устройств еще на этапе проектирования системы, соответственно резко снижается устойчивость сети к изменениям в топологии.

Всех перечисленных недостатков лишены Mesh-сети - многоячейковые одноранговые сети, в которых каждый узел может ретранслировать пакеты в процессе доставки. Узлы такой сети равноправны и взаимозаменяемы - в результате улучшается масштабируемость системы, повышается ее отказоустойчивость [3].

Беспроводная сенсорная сеть охранной системы должна контролировать максимально возможную территорию. В связи с этим, одним из основных требований к выбору элементной базы для создания радиоканала между отдельными узлами сети является максимальная дальность связи. Работа в диапазоне частот 433 МГц (открыт для свободного использования в России) обладает рядом преимуществ по сравнению с работой в СВЧ диапазоне 2,4 ГГц (для которого выпускается основная номенклатура ZigBee устройств). Так, в диапазоне 433 МГц дальность уверенной связи в несколько раз больше, чем в диапазоне 2,4 ГГц, при той же мощности передатчика. Кроме того, устройства, работающие в диапазоне 433 МГц, обладают достаточно хорошей устойчивостью к действию преград на пути распространения радиоволн, таких как погодные осадки, перепады рельефа местности, деревья и пр. Радиоволны 433 МГц значительно лучше распространяются в замкнутых пространствах, таких как туннели метро, городские улицы и т.д., чем радиоволны диапазона 2,4 ГГц. Преимущество диапазона 2,4 ГГц в скорости передачи данных не является критичным в сфере охранных технологий, так как объем передаваемой информации, как правило, незначителен и ограничивается десятками байт (за исключением телеметрии).

Таким образом, выбор приемопередатчика для узла БСС охраны объектов будем вести в диапазоне 433 МГц. Трансиверы должны обладать высокой энергетической эффективностью (напряжение питания не более

3,3 В, низкие токи потребления), функционировать в температурном диапазоне минус 40... +85 °С .

Среди множества микросхем приемопередатчиков ISM-диапазона особое место занимают трансиверы XE-MICS. Для применения в беспроводных сенсорных сетях подходят 2 микросхемы этой фирмы: XE1203F и

XE1205F.

Это интегральные однокристальные полудуплексные приемопередатчики, построенные по схеме прямого (Zero-IF) преобразования, обеспечивающие 2-х уровневую частотную манипуляцию без разрыва фазы (CPFSK) и NRZ кодирование. Таким образом, тип модуляции несущей, реализованный в приемопередатчиках XEMICS, позволяет рационально использовать рабочую полосу частот.

Общими для трансиверов XE1203F и XE1205F являются сверхмалое энергопотребление: работа в диапазоне напряжения питания 2,4...3,6 В, токи потребления:

- 0,2 мкА в спящем режиме;

- 14 мА в режиме приема;

- 62 мА в режиме передачи (+15 дБм) .

Рабочая полоса частот: 433-435 МГц. Температурный диапазон: минус 40. +85°С . Приемники транси-

веров идентичны между собой и построены по схеме с прямым преобразованием частоты. Внутри этих модулей встроен синтезатор частоты, основанный на петле сигма-дельта ФАПЧ с шагом в 500 Гц.

Приемники имеют индикатор уровня принимаемого сигнала RSSI (Received Signal Strength Indicator), что в сочетании с возможностью программирования выходной мощности, позволяет реализовать идею адаптивного управления энергопотреблением. В состав трансивера входит устройство контроля частоты FEI (Frequency Error Indicator), позволяющее получить информацию о смещении частоты гетеродина приемника и организовать АПЧ [4].

Трансиверы также обладают функцией распознавания данных (pattern recognition), благодаря которой трансивер может обнаружить программно заданное слово (до 4 байт) в принимаемом потоке данных. Последнюю особенность можно использовать для идентификации модулей в БСС, что сократит количество служебных байт в передаваемом пакете.

Основные отличия двух модулей проявляются в использовании различных методов расширения спектра.

Трансивер XE1203F обладает аппаратным блоком расширения спектра сигнала прямой последовательностью — Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). При активировании режима DSSS каждый бит данных кодируется 11-разрядным кодом Баркера: 101 1011 1000 или 0x5B8h. Автокорреляционная функция кода Баркера обладает ярко выраженным автокорреляционным пиком.

В отличие от XE1203F трансивер XE1205F (и модуль DP1205F на его основе) является узкополосным устройством. Наименьшее значение внутреннего полосового фильтра, которое можно установить 2разрядным конфигурационным регистром, составляет 10 кГц (используя специальные дополнительные настройки, это значение можно уменьшить даже до 7 кГц!). Количество возможных каналов в этом случае

- до 200!

Эта возможность позволяет использовать XE1205F для специфических узкополосных приложений. Использовать сужение полосы можно, если скорость передачи данных и девиация частоты не будет превышать значений 4800 бит и 5 кГц соответственно, и при условии, что тактовая частота опорного генератора стабилизируется резонатором, имеющим высокую стабильность, или используется частотная коррекция.

В трансивере используется 16-байтный буфер FIFO для хранения передаваемых или принимаемых байтов данных. Байты данных передаются и принимаются из буфера FIFO по внешнему стандартному 3-проводному последовательному интерфейсу SPI.

Узкополосность, а также малое время восстановления передатчика при переключении между каналами (~150 мкс) позволяют применять трансивер XE1205F для построения радиосистем, использующих метод частотных скачков (FHSS). Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса рабочих частот разделяется на определенное количество частотных каналов. Скачки с канала на канал происходят синхронно в некоторой последовательности (например, линейной или псевдослучайной).

Преимуществом трансивера XE1205F также является уникальная в своем классе чувствительность приемника -121 дБм.

Что касается скоростей передачи данных, то возможности модуля XE1203F при использовании кодека Баркера выглядят недостаточными даже для систем охраны- всего лишь 1,154 кБит. Этот показатель не позволит реализовать энергетически эффективную БСС, т.к. время сна, предусмотренное по протоколу CSMA/CA, будет слишком коротким.

Трансиверы узлов беспроводной сенсорной сети охраны объектов должны обеспечивать возможность:

создания Mesh-сети с увеличенным радиусом действия;

реализации на физическом уровне - технологий расширения спектра FHSS;

реализации на уровне доступа к среде - «слотового» CSMA/CA с синхронизацией доступа.

Основываясь на вышесказанном можно сделать вывод о предпочтительности использования модуля приемопередатчика XE1205F для организации физического и MAC уровня беспроводной сенсорной сети охраны объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Варагузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 // ТелеМультиМедиа. - 2005.-№6.- С23-27. - www.telemultimedia.ru

2. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005 г. - 592 с.

3. Баскаков С., Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic™ // Электронные

компоненты. - 2006. - №8. - С.65-69.

4. Горюнов Г. Интегральный СВЧ трансивер XE1203. // Мир электронных компонентов. - 2004. - №1. -

С.25-27.