Дипломная работа (ВКР) — бакалавр, специалист на тему Разработка сенсорной сети для контроля состояния объектов.

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………………………………………………………… 2

1 Анализ предметной
области……………………………………………………………………………………………. 4

1.1 Назначение и
принципы построения систем контроля……………………………………………….. 4

1.2 Обзор существующих
систем…………………………………………………………………………………….. 8

1.2.1 АСДУ БС
АО «Связь инжиниринг М»…………………………………………………………………. 8

1.2.2 Блок мониторинга
РС-БМСС-015 «РадиоСофт»………………………………………………….. 10

1.2.3 AggreGate МХ
«Tibbo»……………………………………………………………………………………….. 11

1.3 Обзор
инструментальных средств…………………………………………………………………………….. 12

1.3.1 САПР NI Multisim………………………………………………………………………………………………. 14

1.3.2 САПР Proteus……………………………………………………………………………………………………… 15

1.3.3 САПР Altium
Designer………………………………………………………………………………………… 16

1.4 Постановка задачи
на разработку……………………………………………………………………………… 17

2 Разработка системы
контроля………………………………………………………………………………………… 19

2.1 Разработка
функциональной схемы………………………………………………………………………….. 19

2.2 Разработка
алгоритма работы…………………………………………………………………………………… 22

2.3 Разработка
электрической принципиальной схемы………………………………………………….. 24

2.3.1 Микроконтроллер………………………………………………………………………………………………. 24

2.3.2 Датчик
температуры и влажности………………………………………………………………………. 26

2.3.3 Датчик движения……………………………………………………………………………………………….. 26

2.3.4 Контроль заряда
источника питания…………………………………………………………………… 27

2.3.5 Радиомодуль………………………………………………………………………………………………………. 30

2.3.6 Блок индикации…………………………………………………………………………………………………. 31

2.4 Разработка
программного обеспечения…………………………………………………………………….. 32

3 Тестирование системы………………………………………………………………………………………………….. 39

3.1 Описание среды для
тестирования…………………………………………………………………………… 39

3.2 Тестирование работы
системы…………………………………………………………………………………. 40

Заключение……………………………………………………………………………………………………………………… 44

Список использованной
литературы………………………………………………………………………………… 45

Приложение А  Схема электрическая принципиальная……………………………………………………. 47

Приложение Б  Текст программы ведущего МК (master)…………………………………………………… 49

Приложение В  Текст программы ведомого МК (slave)…………………………………………………….. 54

Введение:

Уровень  качества 
предоставляемых  сотовыми  операторами 
услуг  мобильной связи вплотную
зависит от таких основных факторов, как качества работы всех элементов
оборудования  в сложной, взаимоувязанной
системы, а также качества еѐ предварительного планирования.

Контроль качества
процессов системы и эффективности функционирования оборудования в настоящее
время недостаточно эффективен. Не достаточная эффективность складывается  ввиду относительно длительных воздействий не
прогнозированных внешних факторов на уровень поля системы связи и  неконтролируемых  процессов 
ухудшения  параметров  сети, 
приводящих  к аварийным ситуациям
либо к низкой эффективности участка системы.

Возможность  регулирования 
и  стабилизации  качественных параметров сетей сотовой связи
определяет  дальнейшую  необходимость 
реализации  контроля  и 
стабилизации качественных 
параметров сети  в виде
разработки  программного обеспечения  и 
алгоритма  автоматизированной  системы 
управления  стабилизирующими
процессами в системе.

Для решения
задачи требуется  вмешательство в
существующую систему связи по средствам усложнения еѐ дополнительной
подсистемой, позволяющей организовать связь между узлами мониторинга и конечной
точкой обработки данных. Такой подсистемой должна стать сенсорная сеть.

В настоящее время
беспроводные сенсорные сети получили большое распространение в области сбора
данных, используя различные датчики сбора показателей, в том числе технических
характеристик оборудования.

Технология  беспроводных 
сенсорных  сетей  является 
актуальной беспроводной 
технологией,  с  помощью 
которой  можно  решить 
задачи  мониторинга  и 
контроля систем сотовой связи. Объединенные в беспроводную сенсорную
сеть, датчики образуют территориально 
распределенную 
самоорганизующуюся  систему  сбора, 
обработки  и  передачи 
информации.  Основной  областью 
применения  является  контроль 
и  мониторинг  измеряемых 
параметров физических сред и объектов.

Именно поэтому в
данной  выпускной квалификационной работе
выполняется разработка сенсорной сети для контроля состояния объектов.

Цель работы – разработка микроконтроллерной сенсорной сети для
контроля состояния оборудования базовой станции сотовой связи.

Объектом исследования является сенсорная сеть для контроля
состояния оборудования базовой станции сотовой связи.

Предметом исследования является использование современных
технологий для автоматизации процесса контроля за параметрами объекта.

Установленная цель обуславливает следующие задачи:

— проведение анализа задач контроля за параметрами объекта;

— определение архитектуры и обобщенной структуры сенсорной
сети;

— обоснование и выбор средств реализации системы;

— проектирование структурных составляющих и алгоритмов
работы системы;

— проектирование программного обеспечения системы;

— тестирование работы системы.

Работа состоит из трех разделов и содержит 46 страниц, 26
рисунков, 23 источника, 3 приложения.

В первом разделе производится анализ предметной области,
обзор существующих систем и
инструментальных средств, а также выполняется постановка задачи на разработку.

Во втором разделе выполняется разработка системы контроля, а
именно  разработка алгоритма работы,
функциональной схемы, электрической принципиальной схемы и программного
обеспечения.

В третьем разделе выполняется тестирование системы.

Заключение:

В данной работе разработана сенсорная сеть для контроля
состояния оборудования базовой станции сотовой связи.

Целью работы была разработка микроконтроллерной сенсорной
сети для контроля состояния оборудования базовой станции сотовой связи.

Объектом исследования стала сенсорная сеть для контроля
состояния оборудования базовой станции сотовой связи.

Предметом исследования было использование современных
технологий для автоматизации процесса контроля за параметрами объекта.

Сеть организована с помощью микроконтроллеров Atmega328, на
базе которых разработаны блоки — ведущий
и ведомые, которые расположены на базовых станциях. Они считывают данные с
датчиков и по запросу от ведущего МК передают ему, а он обеспечивает вывод этих
данных на блок индикации и сигнализации в диспетчерской части.

Параметры для контроля:

— температура воздуха в БС;

— влажность воздуха в БС;

— контроль доступа в помещение БС;

— контроль заряда источника питания БС.

Для обеспечения энергонезависимости устройства ведомого МК
используется аккумуляторная батарея, которая в светлое время суток заряжается
от солнечной батареи.

В ходе работы были выполнены  следующие задачи:

— проведен анализ задач контроля за параметрами объекта;

— определена структура сенсорной сети;

— выбраны средства реализации системы;

— спроектированы структурные составляющие и алгоритмы работы
системы;

— спроектировано программное обеспечения системы;

— протестирована работа системы.

Итогом выполнения
работы стали разработанные функциональная и принципиальная схемы системы,
описание ее составных блоков, алгоритмов работы микроконтроллеров ведущего и
ведомого, а также составленные соответствующие программы.

Тестирование системы, проведенное с использованием САПР
Proteus, подтвердило
работоспособность разработанной схемы и программного обеспечения.

Таким образом,
можно сделать вывод, что выполненная работа соответствет поставленному заданию.

Фрагмент текста работы:

1 Анализ предметной области

1.1 Назначение и принципы построения систем контроля

В  настоящее  время 
становится  всё  более 
актуальным  использование  альтернативных  сетей передачи данных о состоянии объектов и
узлов различных систем как государственного, так и  коммерческого 
назначения.  Такими  сетями 
выступают  беспроводные  сенсорные 
сети (англ. Sensor Networks).

«Беспроводная 
сенсорная  сеть»  или 
сеть  автономных  датчиков – 
это  распределенная,
самоорганизующаяся  сеть  множества 
датчиков (сенсоров)  и  исполнительных 
устройств,  объединенных  между 
собой  посредством  радиоканала. 
Область  покрытия  подобной 
сети  может  составлять 
от  нескольких  метров 
до  нескольких  километров 
за  счет  способности 
ретрансляции сообщений  от  одного 
элемента  к  другому. 
Технология  ретранслируемой  ближней 
радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «сенсорные сети» (англ. WSN –
Wireless Sensor Network), является 
одним  из  современных 
направлений  развития  самоорганизующихся  отказоустойчивых  распределенных систем наблюдения и управления
ресурсами и процессами.

В  настоящее  время 
технология  беспроводных  сенсорных 
сетей  является  перспективной беспроводной  технологией, 
с  помощью  которой 
можно  решить  задачи 
мониторинга  и  контроля систем сотовой связи.

Объединенные в беспроводную сенсорную сеть, датчики образуют
территориально  распределенную  самоорганизующуюся  систему 
сбора,  обработки  и 
передачи  информации.  Основной 
областью  применения  является 
контроль  и  мониторинг 
измеряемых  параметров физических
сред и объектов.

Под  измеряемыми  параметрами 
объектов  базовой станции сотовой
связи (БС СС) обычно  понимают  измеряемые 
качественные  параметры  объектов 
радиоэлектронных  средств (РЭС).  К 
объектам  РЭС  в применении к БС СС  относятся устройства  коммутации 
соединительных  линий  и 
уплотнения  каналов,  устройства 
энергоснабжения  и  обеспечения 
уровня  безопасности  функционирования объекта.

Работоспособность 
систем  энергоснабжения  контролируется  по  наличию  выходных напряжений, необходимых для
работоспособности  объектов РЭС комплекса
БС. Не является контролируемым 
параметром  уровень  разряда 
аккумуляторных  батарей.  По 
уровню  разряда  батарей оператор  мог 
бы  принимать  управляющие 
решения  по  снижению  мощности 
излучения  БС  с  целью
увеличения продолжительности работы БС в случае отключения электроэнергии на
объекте.

Работоспособность 
и  исправность  систем 
безопасности  функционирования  объекта 
удалённо  не  контролируются.  Такие 
параметры,  как  сопротивление 
изоляции  или  исправность 
устройств  заземления  в 
настоящее  время  удалённо 
не  контролируются.  Контроль 
ухудшения  этих параметров  помог 
бы  предсказать  аварийные 
ситуации  на  объекте 
РЭС  и  увеличить 
безопасность  функционирования  объекта 
как  для  элементов 
комплекса  БС,  так 
и  для  обслуживающего его персонала.

В  настоящее  время 
обычно с помощью сенсорной сети 
ведётся  контроль  состояния 
БС  и  объекта, 
на  котором  она 
размещена,  основывающийся,  как 
правило,  на  размыкании 
контактов:  включен  и 
выключен  вентилятор,  открыта 
или  закрыта  дверь 
БС  и  т. д., 
а  также  дополнительный комплекс  пожарно-охранной  сигнализации. 
Однако  этой  информации 
недостаточно  для  оценки реального  состояния 
всего  объекта  связи. 
Существует  потребность  контроля 
большого  количества  вполне 
определённых,  вышеописанных  параметров 
на  объектах  БС, 
без  информации  о 
которых  невозможно  принимать 
управляющие  решения  на 
восстановление  качества  её 
функционирования.  Контроль  такого 
рода  информативности  осуществить 
стандартными  средствами  сигнализации 
по  каналам  БС 
невозможно.  Для  получения полной  информации 
о  качественном  уровне 
функционирования  объекта  системы, 
а  также  при частичной 
неисправности  линий  или 
участков  системы  сотовой 
связи  необходима  альтернативно 
функционирующая 
высоконадёжная  сеть  передачи 
данных.  Этой  сетью 
могут  выступить беспроводные
сенсорные сети.

Беспроводная 
сенсорная  сеть (БСС) –  это 
беспроводная  система,  представляющая  собой распределенную,  самоорганизующуюся  и 
устойчивую  к  отказам 
отдельных  элементов  сеть 
миниатюрных  вычислительных  устройств 
с  автономным  источником 
питания.  Узлы  такой 
системы  транслируют  сообщения 
друг  через  друга, 
обеспечивая  значительную  площадь 
покрытия сетью при малой мощности передатчика [1].

Один  из  вариантов 
БСС (называемых  также  специализированными  или 
многоточечными сетями) строится из малых узлов – мотов (от англ. motes –
пылинки). Моты – это небольшие автономные 
компьютеры  с  питанием 
от  батарей  и 
радиосвязью,  которая  позволяет 
им  самоорга низовываться  в 
специализированные  сети,  связываясь 
друг  с  другом 
и  обмениваясь  данными.

Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами,
осуществляется на узле, или шлюзе, 
который  представляет  собой 
достаточно  мощный  компьютер. 
Но  для  того 
чтобы  обработать  данные, 
их  нужно  сначала 
получить.  Для  этой 
цели  узел  обязательно  оснащается 
антенной.  Однако  в 
любом  случае  доступными 
для  узла  оказываются 
только  моты,  находящиеся 
достаточно  близко  от 
него;  другими  словами, 
узел  не  получает 
информацию  непосредственно
от  каждого  мота. Проблема 
получения  сенсорной  информации, 
собираемой  мотами,  решается следующим  образом. 
Моты  могут  обмениваться 
между  собой  информацией 
с  помощью  приемопередатчиков,  работающих 
в  радиодиапазоне.  Это, 
во-первых,  сенсорная  информация, 
считываемая  с  датчиков, 
а  во-вторых,  информация 
о  состоянии  устройств 
и  результатах  процесса передачи  данных. 
Информация  передается  от 
одних  мотов  другим 
по  цепочке,  и 
в  итоге  ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю
аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит  из 
строя,  работа  сенсорной 
сети  после  реконфигурации  должна 
продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников
информации.

Существует несколько вариантов организации сенсорных сетей.

Например, по 
протоколу ZigBee, который предоставляет 
возможности  реализации  беспроводной связи  с 
низким  энергопотреблением  для 
множества  приложений,  которые 
осуществляют  функции наблюдения и
(или) управления.

Протокол ZigBee 
–  это  международный 
открытый  стандарт, который обеспечивает  гибкие, 
расширяемые  сетевые  топологии, 
содержит  встроенные  функции 
для  организации  сетей 
и  маршрутизации  передаваемых 
данных.  Он обеспечивает  также 
простую  установку  и 
высокую  устойчивость  к 
сбоям,  полноценные  меры по 
безопасности,  преодолевает  традиционные 
ограничения  маломощных
беспроводных  сетевых решений,  такие 
как  малая  дальность 
и  ограниченное  покрытие, 
а  также  уязвимость 
к  сбоям в узле и в радиолинии.