Место беспроводных технологий в структуре информационно-измерительных систем


21.07.2015

Основными функциями автоматизированной информационно-измери­тельной системы (АИИС) являются измерение характеристик объекта, сбор, обработка и визуализация информации, а также управление объектом или процессом исследований на основе анализа полученных данных. АИИС, соответственно, содержит управляющую, регистрирующую и информационную подсистемы, которые могут быть доступны оператору.

Стрелками на рис. 1 показаны направления потоков информации или проводимых воздействий. В некоторых случаях потоки могут быть двунаправленными, например: оператор принимает решение изменить состояние всей системы, при этом ее управляющая компонента проектируется с возможностью извещать человека о выполненных изменениях; или: накопление объема полученных данных приводит к тому, что оператору достаточно запросить информацию и получить ответ, не запуская цикл измерений.

Современные технологии беспроводной связи постепенно вытесняют проводные способы соединения модулей в единый измерительно-управляющий комплекс как в сфере бытовых приборов, так и для организации доступа к уникальному физическому оборудованию. В качестве среды передачи используется либо оптическое излучение (например, в инфракрасном диапазоне), либо радиосигнал. Так как по сравнению с оптическими излучателями-приемниками антенны, как правило, обладают большей изотропностью, для создания территориально распределенных сетей сбора информации и управления чаще применяются технологии с использованием радиосигналов.

Чаще всего измерение физических параметров объектов ведется с использованием проводных систем (на рис. 1 это действие обозначено стрелкой 3), то же наблюдается и для каналов 2 и 2'. Связано это с тем, что подсистемы регистрации и управления обычно располагаются как можно ближе к объекту, чтобы уменьшить шумовые составляющие сигналов и избежать излишних тепловых потерь при передаче электроэнергии исполнительным механизмам.

Информационные каналы 1, 4 и 5 (а иногда и остальные) могут быть спроектированы с использованием беспроводных технологий. При этом также стоит отметить выгодность использования их именно на направлении 4, поскольку это серьезно облегчает процесс монтажа системы.

Как уже было отмечено, современные АИИС строятся по модульному принципу и носят распределенный характер. Связи 1, 4 и 5 могут быть реализованы с использованием глобальных сетей, часть сегментов в которых ориентирована на беспроводную передачу.

Рассматривая структуру распределенной автоматизированной информационно-измерительной системы, следует выделять несколько уровней, обычно пространственно локализованных.

I уровень – "уровень шаговой доступности", когда все оборудование располагается компактно в одном месте и практически не существует ограничений по использованию технологий для объединения в единую систему. Здесь можно обеспечить сколь угодно большие скорости передачи информации.

В современных системах релейно-контактные схемы управления, собранные на дискретных компонентах (реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики), заменены программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. ПЛК представляют собой микропроцессорные устройства, предназначенные для выполнения алгоритмов управления. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. В некоторых случаях ПЛК создаются на базе универсальных компьютеров.

Понятно, что в случае взаимного перемещения частей системы для связи ПЛК с датчиками и исполнительными механизмами имеет смысл использовать беспроводные технологии. Этот класс сетей в литературе называется BAN (Body Area Network) или PAN (Personal Area Network). К ним можно отнести Bluetooth, ZigBee, nanoNET, RFID, UWB и другие технологии малого радиуса действия.

Для управления сложными объектами масштаба здания или группы зданий ПЛК обычно объединяют с помощью универсальных локальных вычислительных сетей (ЛВС или Local Area Network – LAN). Это II уровень локализации.

ЛВС – это высоконадежная и высокоскоростная система передачи данных, которая обеспечивает взаимосвязь различных устройств обработки информации и управления равноправным или подчиненным способом, либо комбинацией обоих способов в пределах определенной ограниченной площади. Целью объединения ПЛК в такие сети является размещение их непосредственно в зоне управляемого объекта, а также разделение выполняемых им функций на ряд слабо связанных между собой функций и их распределение между несколькими устройствами. Это позволяет осуществлять так называемое динамическое делегирование функций во время эксплуатации всей системы автоматизации. В результате повышается пропускная способность и живучесть системы управления, увеличивается ее гибкость, а также возникает возможность на этапе эксплуатации системы по мере необходимости наращивать управляюще-вычислительные мощности и возлагать на систему управления дополнительные функции.

Конструктивно локальные вычислительные сети представляют собой каналы различной конфигурации с ветвями и узлами. Узлами таких сетей могут быть и ПЛК, и другие устройства обработки информации, применяющиеся для целей автоматизации (например, персональные компьютеры, устройства ЧПУ, микропроцессорные комплекты, датчики со встроенным интерфейсом). ЛВС создает возможность объединения в единую систему автоматизации таких достаточно разнородных компонентов. Здесь также активно применяются беспроводные технологии связи компонентов автоматизированной системы: WiFi, WiMAX, nanoNET и др.

III уровень локализации охватывает распределенные системы масштаба города – городская вычислительная сеть MAN (Metropolitan Area Network). MAN позволяет автоматизировать сильно распределенные объекты. Примерами могут служить системы контроля, учета и управления потреблением электроэнергии крупными предприятиями или автоматизация торговой деятельности сети магазинов. По сравнению с ЛВС каналы обмена информацией в таких сетях являются значительно более протяженными, а следовательно, менее скоростными и надежными. Это приводит к изменению технологии обмена информацией, когда узлы системы используют не постоянное соединение между собой, а метод обмена сообщениями. И в данных системах активно используются беспроводные технологии: транкинговые сети, WiMAX, GSM/GPRS и их потомки.

IV уровень – глобальная сеть, которая объединяет воедино огромное количество LAN и MAN на большой географической территории (Wide Area Network – WAN). Современное состояние Интернета позволяет организовывать глобальные системы, например для контроля погоды. Основным преимуществом каналов связи через Интернет является минимизация финансовых затрат на создание, поддержку и развитие сети по сравнению с любыми другими способами организации связи. Наиболее характерным примером беспроводных технологий для глобальных линий связи является спутниковый Интернет.

Проблема частотного диапазона является одной из важных для построения беспроводных линий связи. Большой интерес представляют диапазоны частот, выделенные для безлицензионного использования. Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) и аналогичными организациями в других странах зарезервирован диапазон для безлицензионного использования, называемый ISM (Industry, Science, Medicine) диапазон. Спектр частот от 2.4 до 2.4835 ГГц частично доступен во всем мире. Однако законодательство разных стран по-разному регламентирует использование частот и ширины диапазона (см. табл. 1).

Таблица 1

Стандарт

IEEE 802.15.4

ZigBee

IEEE 802.15.4a

nanoNET

Bluetooth

IEEE 802.11

WiFi

 

Диапазон
частот

2.402–2.480 ГГц

(Сев. Америка, 20 каналов, 1000 мВт/МГц)

2.402–2.480 ГГц (Сев. Америка и Европа, 79 каналов)

2.41–2.462 ГГц

(Сев. Америка, 12 каналов, 1000 мВт/ МГц)

2.412–2.472 ГГц

(Европа, 15 каналов, 100 мВт/МГц)

2.447–2.473 ГГц

(Испания)
2.448–2.482 ГГц

(Франция)

2.412–2.472 ГГц

(Европа, 13 каналов, 100 мВт/ МГц)

2.483–2.495 ГГц

(Япония, 5 каналов, 10 мВт/МГц)

2.473–2.495 ГГц

(Япония)

2.483–2.495 ГГц

(Япония, 1 канал,
10 мВт/ МГц)

2.4–2.4835 ГГц

(Россия, 100 мВт)

2.4–2.4835 ГГц

(Россия)

2.4–2.4835 ГГц

(Россия, 100 мВт)

Таблица 2

Стандарт

802.15.4

ZigBee Ember

802.15.4a

nanoNET

WiFi WIZnet

Wireless USB Cypress

Трансивер ATR2406 Atmel

Bluetooth Multi Tech

Скорость передачи

данных,

Кбит/с

250

2000

1000 2000 5500 11000

64

1152

1000

Дальность, на открытом пространстве,

макс., м

70

900

200

300

160

100

Т о к

передача, мА

19,7

55–78

600

69,1

57

70

прием, мА

17,4

40

н.д.

57,7

42

45

спящий режим, мкА

1

1

1

<1

2000

Выходная мощность,

макс., мВт

1

8

100

1

6

100


В диапазоне ISM, в зависимости от желания заказчика, условий "видимости", расстояний, наличия помех, выбор разработчика АИИС может быть остановлен на той или иной стандартизованной технологии передачи данных, например Bluetooth, WiFi, WiMax, ZigBee, nanoNET и др.

В табл. 2 приведены характеристики приемопередатчиков различных производителей, выпускающих чипы для радиосвязи.

По соотношению энерговклада на передачу одного бита лидером является немецкая фирма Nanotron Technologies GmbH, выпускающая продукцию для сетей nanoNET (трансиверы nanoPAN). Именно этот параметр (затраты электроэнергии на передачу порции информации) является определяющим в выборе технологии при разработке сетей датчиков, большинство из которых питается от батарей или аккумуляторов.


Возврат к списку




 



Адрес:

ГК "РТЛ Сервис"

111024, Россия, г. Москва,
ул. Авиамоторная, д. 12, офис 816

Тел./факс: +7 495 268-06-05


Мы в социальных сетях:

Facebook Вконтакте Twitter LinkedIn Google+ Youtube


Группа Компаний РТЛ Сервис

© ГК "РТЛ Сервис" 2006 - 2016