Применение протокола ZigBee в сенсорных узлах автоматизированной системы обнаружения пожара

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТОКОЛА ZIGBEE В СЕНСОРНЫХ УЗЛАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА

А.Н. Минеев,

ФГБОУ ВПО Академия ГПС МЧС России

Беспроводные сенсорные сети представляют собой распределённые самоорганизующиеся сети множества чувствительных элементов (сенсорных узлов), осуществляющих мониторинг заданных параметров окружающей среды на различных объектах. Каждый сенсорный узел, оборудуется микроконтроллером, радиоприемопередатчиком а также автономным источником питания.

Использовать сенсорные сети для контроля пожарной обстановки на промышленных объектах стало возможным благодаря наличию некоторых качеств, которые несут в себе преимущества всей системы обнаружения в целом, а именно:

- использование системы обнаружения в таких местах, где невозможно, трудно или дорого эксплуатировать проводные решения;

- быстрое и удобное развертывание и обслуживание системы;

- способность сети при вероятности выхода из строя одного сенсора передавать информацию через соседние элементы;

- возможность построения сети разного размера за счет добавления и исключения любого количества элементов;

- длительное время работы без замены элементов питания;

- своевременное обнаружение и замена вышедших из строя сенсоров, за счет адресного опроса устройств.

- нет вероятности перегорания шлейфа системы обнаружения.

Сетевой протокол ZigBee основан на стандарте IEEE 802.15.4. Стандарт IEEE 802.15.4 описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN).

(WPAN) применяются для взаимодействия и обмена информацией между различными устройствами и аппаратами, такими как персональные ЭВМ, принтеры, сканеры, факсы и т.п. (WPAN) обладают небольшим радиусом действия, примерно до 20 м.

Однако некоторые WPAN-сети способны работать на дальности до 100 м(ZigBee, Bluetooth). Первым стандартом, способным реализовать данные задачи, стал IEEE 802.15.1. Стандарт базируется на спецификации Bluetooth vl.x. Следующим шагом в расширении семейства 802.15 было создание стандарта, обеспечивающего взаимодействие между устройствами классов 802.11 и 802.15. Вскоре для устройств, работающих в зоне WPAN-^тей, оказалось недостаточно скоростей, обеспечиваемых Bluetooth. Возникла потребность в выработке стандарта, позволяющего создавать беспроводной канал данных с пропускной способностью в десятки и сотни Мбит/с (IEEE 802.15.3) [1].

Перечисленные выше стандарты отлично подходят для передачи больших объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с). Устройства на их основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов) на дальности передачи от 10 до 100 м. Эти стандарты позволяют заменить проводные соединения в устройствах, с которыми мы имеем дело каждый день (компьютеры, вычислительные сети). Однако существует огромное множество на первый взгляд незаметных систем (разнообразные датчики, системы сбора информации и т.д.), обладающих спецификой, вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со стопроцентной эффективностью использовать упомянутые технологии. Для реализации подобных задач был разработан стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) для низкоскоростных WPAN-сетей (рис. 2.9)[2]

Технология ZigBee не предназначена для передачи больших объемов информации, как Wi-Fi или Bluetooth. Однако для передачи, например, показаний датчиков, объем которых редко превышает десятков байт, не требуется высоких скоростей — в этом случае обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности. Большинство устройств ZigBee будет работать по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем» состоянии практически все время, обеспечивая оптимальный режим энергосбережения. При поступлении новой информации либо во время очередного сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова переходит в режим пониженного энергопотребления. Типовые временные задержки при этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для перехода из «спящего» в активное состояние, 15 мс для доступа к каналу. Так удается продлить срок службы батарей до 10 лет и более в зависимости от типа приложения и длительности рабочего цикла, причем ток при передаче может составлять порядка 15-30 мА, а в «спящем» режиме - менее 2 мкА. В результате, задержки по отклику настолько малы, что человек, войдя вкомнату и щелкнув переключателем беспроводной связи ZigBee, даже не заметит, что свет появился почти мгновенно, в то время как задержки при подключении устройств к сети Bluetooth составляют порядка 3 с [2].

Доступ к среде осуществляется в частотных диапазонах ISM (Industrial, Scientific and Medical), а физический уровень использует двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-OPSK) на частоте 2,4 ГГц. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA). Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается

на полудуплексной передаче данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), что позволяет использовать метод CSMA-CA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения. Дальность распространения сигнала обычно составляет 30-50 м, однако при использовании внешних усилителей мощности, малошумящих усилителей и согласованной антенны дальность может достигать 100 м без существенных потерь в скорости. Пропускная способность напрямую зависит от выбранной частоты. Максимальная скорость передачи, равная 250 Кбит/с, достигается в диапазоне 2,4 ГГц (16 каналов с шагом 5 МГц). Для частот 868 МГц (1 канал) и 902 — 928 МГц (10 каналов с шагом 2 МГц) скорости передачи равны соответственно 20 Кбит/с и 40 Кбит/с [2].

ZigBee/802.15.4 позволяет оперативно разворачивать сеть необходимого размера. Одним из преимуществ стандарта является простота установки и обслуживания сенсорных узлов, осуществляющих мониторинг пожарной обстановки на объектах.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что технология ZigBee/802.15.4 идеально подходит для применения:

- в системе мониторинга пожарной обстановки на промышленных предприятиях;

- в системе контроля распределённых сетей, состоящих из сенсорных узлов;

- при взаимодействии и обмене информации между сенсорными узлами и ПКП, с целью экономного потребления энергии;

- удалённого управления и контроля над протеканием технологических процессов на промышленных предприятиях;

- в беспроводных устройствах обмена информацией.

Список использованной литературы:

1. Панфилов Д., Соколов М. Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4 // Электронные компоненты. 2004. № 12.