Анализ беспроводных технологий обмена данными в системах автоматизации жизнеобеспечения производственных и офисных помещений

УДК 621.316

Анализ беспроводных технологий обмена данными в системах автоматизации жизнеобеспечения производственных и офисных помещений

В. М. Артюшенко, д.т.н., проф., e-mail:artuschenko@ mail.ru В. А. Корчагин, аспирант, e-mail: vkorchagin@mail.ru

ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва

Рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные с применением беспроводных технологий малого радиуса действия в системах автоматизации жизнеобеспечения производственных и офисных помещений.

The authors examine issues associated with the use of short-range wireless technology for systems of life support automatization in industrial and office buildings.

Ключевые слова: устройства малого радиуса действия, BlueTooth, Wi-Fi, ZigBee.

Keywords: short-range devices, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee.

Постановка задачи

В последнее время постоянно растет интерес к автоматизации систем жизнеобеспечения различных объектов, а также контроля их параметров. Главный вопрос, который необходимо решить при проектировании автоматизированной системы жизнеобеспечения, - какую технологию обмена данными следует использовать, чтобы она наиболее полно отвечала запросам и была максимально дешева в развертывании и последующем обслуживании.

Часто использование проводных коммуникаций малоэффективно по причине высокой стоимости как самих кабелей, так и их монтажа и довольно низкой надежности полученной сети. Поэтому использование беспроводной технологии обмена данными порой является единственно возможной.

Современная беспроводная система должна состоять из набора беспроводных датчиков, управляющих устройств и исполнительных механизмов, снабженных беспроводным интерфейсом. Она должна быть нацеленной на развертывание беспроводных информационных сетей для недорогих малопотребляющих систем, используемых в коммерческой, промышленной и домашней автоматике, в устройствах медицинской диагностики. А также применяться для удаленного управления и контроля технологическими процессами, управления движущимися аппаратами, станками, промышленным оборудованием, холодильными установками, устройствами дистанционного сбора данных, телеметрия; для мониторинга промышленных и портовых активов и логистики; мониторинга систем водо-, газо- и теплоснабжения, сис-

тем управления и инструментального контроля электроэнергии, систем жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ); в качестве беспроводных устройств обмена информацией, радиомодемов, для радиопередачи аудиосигнала и фотоизображений; в автомобильной электронике (системы контроля давления в шинах, противоугонные системы, системы идентификации и диагностики) и т.д. [1 - 4].

Например, «среднестатистическая» беспроводная система автоматизации офисного помещения должна решать следующие типовые задачи: автоматическое управление системой кондиционирования воздуха; автоматическое управление освещением; выполнение функций системы безопасности, пожарной сигнализации, детектора утечки газов и затопления; выход в сеть сотовой связи и др. [5 - 8].

Для современных систем автоматизации и промышленной телеметрии одной из наиболее актуальных задач является вопрос передачи и обмена данных на небольшие расстояния, необходимость обеспечения мобильности диагностируемого оборудования, обнаружение ресурсов и их использование, сокращение расходов на монтаж. В последнее время все более интенсивно в развитых странах мира ведется работа по созданию новых высокотехнологичных радиоустройств малого радиуса действия SRD (Short Range Devices). Такие устройства нашли широко применение в различных устройствах передачи данных, системах сбора телеметрической информации, в системах обнаружения, охраны и безопасности, большом числе других устройств различного назначения [9]. Ис-

пользование такой сети в промышленных системах автоматизации позволяет не только получить информацию о функционировании всех ее подсистем, но и дает возможность защищенного управления техническими процессами на производстве.

Все это привело к необходимости использования персональных сетей беспроводной связи WPAN (Wireless Personal Area Networks) на нижнем уровне сетевой иерархии автоматизации современных предприятий. Беспроводные сети отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и обслуживании. Сеть WPAN представляет собой систему обмена данными с небольшим радиусом охвата и относительно низкими скоростями передачи. Нелицензи-руемый диапазон [10] частот 2,4 ГГц благодаря своей доступности стал популярным для промышленной, научной, медицинской аппаратуры и подходит для недорогих беспроводных решений, которые предлагаются для сетей WPAN.

Для реализации централизованных систем сбора данных на единый диспетчерский пункт часто используются схемы типа «звезда» (рис. 1), где S - месторасположение датчиков; DC - точка сбора данных.

Рис. 1. Сетевая архитектура типа «звезда»

Как правило, такие системы не имеют обратной связи, поскольку ради их удешевления датчики оснащаются только передатчиками.

Для проводной связи очень удобна шинная топология, в которой датчики посылают сигналы в точку сбора данных по общей линии. Однако для беспроводной передачи данных она не годится.

Наибольшее применение при использовании технологии беспроводной связи нашла сотовая сетевая архитектура (рис. 2).

S

і \ ____________

\ ( S

[ S DC

/ S

S

Рис. 2. Сотовая сетевая архитектура

В такой сети одни датчики могут связываться со всеми другими и ретранслировать от них сообщения. Центральная точка приема данных является одним из узлов сети, задачей которого является сбор данных, проходящих по сети. Преимуществом такой архитектуры является то, что датчик в каком-либо узле может обходить центральную станцию и передавать данные только в те узлы, которым эти данные нужны.

Сотовая топология наилучшим образом подходит для построения беспроводной сети датчиков. К ее достоинствам можно отнести несложность установки, возможность расширения и способность к самостоятельному определению и устранению неполадок, а также автоматическую перестройку маршрута прохождения трафика.

Сравнительный анализ технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi, ZigBee

На сегодняшний день в диапазоне частот 2,4 ГГц наиболее широкое распространение получили три технологии беспроводной передачи данных: Bluetooth, Wi-Fi, и ZigBee [11 - 13]. Области применения этих стандартов показаны на рис. 3. Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee приведены в табл. 1, а в табл. 2. представлены основные характеристики радиомодулей для различных технологий беспроводной передачи.

Диапазон действия беспроводных технологий, представленных в табл. 1, зависит от материалов среды между приемником и передатчиком. Так, например, железобетонные перекрытия и электромагнитные помехи снижают максимальную дальность связи. На открытой местности в зоне прямого видения максимальное расстояние может достигать 300 м, в офисных зданиях - примерно 50 м, а в заводских корпусах - меньше 50 м.

Рис. З. Области применения стандартов беспроводной связи

Таблица І. Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee

Характеристики Технология

Bluetooth

Частотный диапазон, ГГц 2,4 - 2,483 2,4 - 2,483 2,4 - 2,483

Пропускная способность, кбит/с 723,1 11 000 250

Размер стека протокола, кбайт Более 250 Более 1000 32 - 64

Время непрерывной автономной работы от батареи, дни 1 - 10 0,5 - 5 100 - 1000

Максимальное число узлов в сети 7 10 65 536

Выходная мощность, дБм 0 - 20 20 0

Диапазон действия, м (средние значения) 10 - 100 20 - 300 10 - 100

Области применения Замещение проводного соединения Передача мультимедийной информации (Интернет, электронная почта, видео) Удаленный мониторинг и управление

Таблица 2. Сравнение радиомодулей различных технологий беспроводной передачи данных

Радиомодули

Параметры радиомодулей UARTDNG101

Диапазон рабочих частот, ГГц 2,4 - 2,4835 2,4 - 2,497 2,405 - 2,480

Выходная мощность, дБм 4 13,5 0 - 4

До 61 мА В режиме передачи 30 - 35 мА 190 мА

Нет данных В режиме приема 37 - 42 мА 150 мА

Потребляемый ток Нет данных В режиме ожидания 0,5 - 0,8 мА Нет данных

Нет данных В энергосберегающем режиме 1 - 35 мкА 1 мА

Напряжение питания, В 3,3 и 5 3,3 2,0 - 3,4

Чувствительность, дБм -78 -85 при скорости передачи 11 Мбит/с -92

Скорость передачи данных по радиоканалу до 723 кбит/с 1; 2; 5,5; 11 Мбит/с 250 кбит/с

Рабочий диапазон температур, °С -40 - +105 -40 - +90 -40 - +85

Рассмотрим и проанализируем эти технологии, а также возможные области их использования и рекомендации по выбору для решения конкретных задач.

Технология Bluetooth. Своему рождению Bluetooth обязана фирме Ericsson, которая в 1994 г. начала разработку новой технологии связи. В 1998 г. эта фирма организовала консорциум Bluetooth SIG (Spesial Interest Group), куда вошли компании Ericsson, Nokia, 3COM, Intel, National Semiconductor [12].

Технология Bluetooth (стандарт IEEE 802.15) стала первой технологией, позволяющей создать беспроводную персональную сеть передачи данных WPAN (Wireless Personal Network). Она позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10 -100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости. Так называемый нижний (2,45 ГГц) диапазон ISM (industrial, scientific, medical) предназначен для работы промышленных, научных и медицинских приборов.

Технология Bluetooth поддерживает как соединения типа «точка-точка», так и «точка-много точек». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet).

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 4), где М - master, S - slave.

В середине 2004 г. на смену спецификации Bluetooth версии 1.1, опубликованной в 2001 г., была принята спецификация Bluetooth версии 1.2, к основным отличиям которой относят реализацию технологии адаптивной перестройки частоты канала AFH (Adaptive Friquency hopping), усовершенствование голосового соединения, а также сокращение времени, затрачиваемого на установление соединения между двумя модулями Bluetooth. Технология AFH позволяет избежать появления

коллизий: во время обмена информацией для борьбы с интерференцией используются сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum) по псевдослучайному закону.

Принцип данного метода состоит в том, что весь частотный диапазон 2,402 - 2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала -

1 МГц, разнос каналов - 140 - 175 кГц [12]. Для США и Европы N = 79, кроме Испании и Франции, где применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону с частотой 1600 Гц.

Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и значительно снижать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлен, то система перейдет на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.

На рис. 5 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу трех Bluetooth-модулей.

При использовании FHSS данные разбиваются на небольшие пакеты и передаются по 79 разным частотам. Первый пакет со скоростью 1600 частотных «скачков» в секунду отправляется по одной частоте, следующие пакеты - по другой. Схема этих переходов определяется специальным алгоритмом. Ведущее устройство оповещает ведомых, какой из шаблонов оно будет применять для передачи данных.

В ноябре 2004 г. была принята спецификация Bluetooth версии 2.0, поддерживающая технологию расширенной передачи данных EDR (Enhanced Data Rate), которая позволяет осуществлять обмен данными на скорости до 3 Мбит/с. Первые, серийно изготавливаемые образцы модулей, соответствующие версии 2.0, были предложены производителями в конце 2005 г. Радиус действия таких модулей при отсутствии прямой видимости составляет 10 м, что соответствует классу

2 (диапазон действия 10 м), а при наличии прямой видимости он может достигать 30 м.

Очень близкими характеристиками технологии Bluetooth обладает технология HomeRF SWAP (Shared Wireless Access Protocol). Спецификация SWAP была предложена группой HomeRF, в которую входят такие гиганты, как Compaq, Ericsson, Hewlett-Packard, Intel и Microsoft. Сравнительные характеристики Bluetooth и HomeRF представлены в табл. 3.

©

а)

Рис. 4. Пикосеть с подчиненными устройствами: а - с одним подчиненным устройством; б - с несколькими подчиненными устройствами; в - распределенная сеть

Рис. 5. Частно-временная диаграмма работы модулей Bluetooth

Таблица 3. Сравнительные параметры технологий Bluetooth и HomeRF

Параметры HomeRF Bluetooth

Вид модуляции Шумоподобный сигнал, метод частотных скачков Шумоподобный сигнал, метод частотных скачков

Число скачков в секунду 50 1600

Мощность передатчика, мВт 100 100

Скорость обмена данными, Мбит/с 1 или 2 1

Способ модуляции Двух- или четырехуровневая ЧМ Двухуровневая ЧМ

Число устройств в сети До 127 Не ограничено

Защита информации Blowfish data security 40- и 64- битное шифрование

Радиус действия, м 50 10 - 100

Технология Wi-Fi Данная технология [10, 13] основана на стандарте IEEE 802.11 [14]. Этот стандарт определяет протоколы, необходимые для организации локальных беспроводных сетей WLAN (Wireless Local Area Network). Основные из них -

протокол управления доступом к среде MAC (Medium Access Control) и протокол передачи сигналов в физической среде.

В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм множест-

Таблица 4. Основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g

Характеристики Стандарт

IEEE 802.11а IEEE 802.11b IEEE 802.11g

Частотный диапазон, ГГц 5,15 - 5,25 5,67 - 5,85 2,4 - 2,483 2,4 - 2,483

Метод доступа к радиоканалу CSMA-CA CSMA-CA CSMA-CA

Метод модуляции OFDM BPSK, CCK OFDM

Максимальная скорость передачи, Мбит/с 54 11 54

Число абонентов на один канал 64 64 64

Дальность связи в помещениях, м 10 - 20 20 - 100 20 - 50

венного доступа с обнаружением несущей и предотвращением коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Метод CSMA-CA заключается в следующем: для определения состояния канала (занят или свободен) используется алгоритм, в соответствии с которым выполняется измерение мощности сигналов на входе приемника и оценивается качество сигнала. Если мощность принятых сигналов на входе приемника ниже порогового значения, то канал считается свободным, если же их мощность выше порогового значения, то канал считается занятым.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и из нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС.

Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости, имеет меньший радиус действия, чем работающее на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала, для чего используется метод адаптивного выбора скорости ARS (Adaptive Rate Selection). Снижение скорости позволяет применять более простые и менее избыточные методы кодирования, отчего передаваемые сигналы становятся менее подверженными затуханию и искажениям вследствие интерференции. Благодаря методу адаптивного выбора скорости оборудование стандарта IEEE 802.11b может осуществлять обмен данными в различной электромагнитной обстановке.

В целом Wi-Fi ориентирован на передачу относительно больших объемов информации - это может быть потоковое видео, Hi-Fi аудио, голос.

В табл. 4 приведены основные технические характеристики наиболее популярных у произво-

дителей беспроводного оборудования стандартов IEEE 802.11a, b и g.

Технология ZigBee. Технология ZigBee (IEEE, 802.15.4) [11] предназначена для низкоскоростных персональных сетей беспроводной связи - LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network). Всего за данным стандартом закреплено 27 каналов в трех эфирных диапазонах: общий для всего мира на частоте 2,4 ГГц (16 каналов), дополнительный для США на частоте 915 МГц (10 каналов) и для Европы на частоте 868 МГц (один канал).

Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и колеблется от 256 до 20 кбит/с. Доступ к среде осуществляется в частотных диапазонах, не требующих лицензирования ISM (Industrial, Scientific and Medical). Физический уровень использует двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (QPSK) на частоте 2,4 ГГц. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA).

Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных, что позволяет использовать метод CSMA-CA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения. На рис. 6 изображен вариант архитектуры ZigBee-сети.

Рис. 6. Вариант архитектуры ZigBee-cern: ф - PAN Координатор ZigBee (FFD); 0 - маршрутизатор ZigBee (FFD); О - конечные устройства ZigBee (RFD или FFD); - связи в мно-

гоячейковой сети; 4 -Ф - связи типа «точка-точка»

Стандарт ZigBee определяет три типа устройств: координаторы ZigBee, маршрутизаторы ZigBee и оконечные устройства ZigBee.

Каждая сеть должна содержать только один координатор ZigBee [15]. Основная задача координатора заключается в том, чтобы задать параметры для создания сети и запустить процесс настройки, предполагающий выбор радиочастотного канала, уникального сетевого идентификатора и набора рабочих параметров.

Маршрутизаторы ZigBee могут использоваться для расширения радиуса действия сети, поскольку они способны выполнять функции и ретрансляторов между устройствами, расположенными слишком далеко друг от друга, чтобы взаимодействовать напрямую.

Оконечные устройства ZigBee не участвуют в маршрутизации.

Множество ZigBee-устройств способно работать совместно, в общей радиосети, как в стандартной иерархии типа «звезда» (когда один маршрутизатор управляет всеми потоками данных), так и в смешанной топологии без единого координатора.

Как только маршрутизаторы и другие устройства подключаются к сети, они получают от координатора или от любого маршрутизатора, уже задействованного в сети, информацию о ней, и на основе этой информации устанавливают свои рабочие параметры в соответствии с параметрами сети.

Маршрутизатор ZigBee получает блок сетевых адресов, которые он распределяет между подключившимися к сети беспроводными или другими оконечными устройствами. Чтобы сделать маршрутизацию более эффективной, алгоритм ZigBee также позволяет маршрутизаторам использовать сокращения путей. Каждый маршрутизатор, на котором предполагается использовать сокращения, должен поддерживать таблицу, содержащую пары вида D,N, где D - это адрес цели, а N -адрес следующего устройства на пути к этой цели.

Технология ZigBee определяет характер работы сетей датчиков. Устройства образуют иерархическую сеть, корнем которой является координатор ZigBee. Маршруты могут учитывать иерархию, возможна также оптимизация информационных потоков.

ZigBee может быть интегрирован в следующие системы: автоматизации жизнеобеспечения домов и строений (удаленное управление сетевы-

ми розетками, выключателями, и т.д.); управления бытовой электроникой; автоматического снятия показаний с различных счетчиков (газа, воды, электричества и т.д.); безопасности (датчики задымления, датчики доступа и охраны, датчики утечки газа, воды, датчики движения и т.д.); мониторинга окружающей среды (датчики температуры, давления, влажности, вибрации и т.д.); промышленной автоматизации.

Таким образом, рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные с применением беспроводных технологий малого радиуса действия в системах автоматизации жизнеобеспечения производственных и офисных помещений. Осуществлен сравнительный анализ технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi, ZigBee. Показаны основные пути интеграции беспроводных технологий малого радиуса действия в системах автоматизации жизнеобеспечения производственных и офисных помещений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автоматизация зданий. Обзор и сравнение технологий. http://www.armo-training.ru/article/.

2. Табунщиков Ю. А. Интеллектуальные здания // Экологические системы: электронный журнал энергосервисной компании. 2002. № 3.

3. Павлов О .Е. EIB - стандарт для домашних сетей и управления зданиями // АВОК. 2003. № 6.

4. Прохоров А. Цифровой дом завтрашнего дня // КомпьютерПресс. 2003. №5. С. 39 - 43.

5. Kranz, H. R., Коммуникационные системы для устройств автоматизации жизнеобеспечения зданий // Вентиляция. Отопление. Кондиционирование. 2003. № 1. С. 88 - 90.

6. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий // АВОК. 1998. № 1.

7. Богословский В. Н. Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии // АВОК. 1998. № 3.

8. Булгаков С. Н. Энергоэффективные строительные системы и технологии // АВОК. 1999. № 2.

9. Пахомов С. Технологии беспроводных сетей семейства 802.11 // КомпьютерПресс. 2003. №5. С. 66 - 81.

10 Проблемы проектирования и эксплуатации беспроводных устройств функционирующих в нелицензируемом диапазоне ISM 2,4ГГц и пути их решения // Беспроводные технологии. 2006. № 3.

11. ZigBee specification. ZigBee Document 053474r06, Version 1.0. 2005 // http://www.zigbee.org/

12. Bluetooth specification, Version 2.0 + EDR. 2004. // http://www.bluetooth.com/

13. WiFi specification. 2006. http://www.wifi.com/p_faq.html

14. IEEE 802.11XX specification. 2005. http://www.ieee.org/portal/site

15. Опыт построения сети беспроводных датчиков для мониторинга систем ОВК зданий // АВОК. 2006. № 1.

Поступила 02.03.2010 г.