автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Беспроводные информационно-измерительные системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков

На правах рукописи

ТУЖИЛКИН Олег Владимирович

БЕСПРОВОДНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ АВТОНОМНЫХ БЕЗАККУМУЛЯТОРНЫХ РАДИОДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013

005542950

005542950

Работа выполнена на кафедре «Информационно-вычислительные системы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чувыкин Борис Викторович

Официальные оппоненты: Васильев Валерий Анатольевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Приборостроение»; Когельман Лев Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», начальник управления информатизации

Ведущая организация - ФГУП ФНПЦ ПО «Старт»

им. М. В. Проценко (г. Заречный)

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г., в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 23 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —- Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По мере развития информационно-измерительных систем (ИИС), усложнения объектов измерения, увеличения разнообразия решаемых задач в области мониторинга объектов ракетно-космической техники (РКТ) требуется совершенствование методов и средств измерений. Тенденция развития ИИС идет по пути увеличения количества датчиков, интенсивного внедрения новых технологий использования автономных безаккумуляторных радиодатчиков (АБР) в составе системы. Перспективность ИИС на основе АБР связана с возможностью таких систем решать большинство проблем, присущих проводным ИИС, таких как сложность установки, необходимость обслуживания, высокое энергопотребление, стоимость.

В настоящее время производство АБР слабо развито, но существует множество отечественных и зарубежных фирм, занимающихся разработкой и изготовлением радиочастотных идентификационных меток, на базе которых и строятся АБР. Наиболее известные из них: NXP Semiconductors, Motorola, Alien Technology, Applied Wireless RFID, Avery Dennision, Invengo, РСТ-Инвент, ГК «Систематика», ОАО «НИИМЭ и Микрон». Помимо выпуска радиочастотных идентификационных меток, большая часть этих фирм нацелена на освоение и развитие новых типов датчиков — автономных безаккумуляторных радиодатчиков.

Достижения отечественных научных школ в области построения и оптимизации ИИС связаны с именами таких ученых, как П. В. Новицкий, М. П. Цапенко, В. Г. Кнорринг, В. А. Грановский, А. В. Фремке, В. М. Шляндин, Е. П. Осадчий, В. П. Кузнецов, Ю. П. Иванов. Ими были заложены основные принципы построения систем, определения принципов внутрисистемного взаимодействия. Несмотря на значительные достижения в данной области, существуют нерешенные задачи, связанные с определением структуры ИИС, разработкой алгоритма функционирования, улучшением метрологических характеристик при ограниченном энергетическом ресурсе, особенно это относится к областям применения с жесткими требованиями к условиям функционирования, к примеру, в области РКТ.

Адаптация ИИС для решения задач РКТ требует значительной проработки. Повышенные требования к условиям функционирования накладывают жесткие ограничения на массу, габариты и ресурс системы. Применение АБР позволяет обеспечить все заданные требования,

но вместе с тем возникает ряд проблем, связанных со спецификой их функционирования.

Разработка ИИС на основе АБР для РКТ имеет ряд научных, технических, инженерных проблем, связанных с особенностью их применения. К примеру, очень важным является вопрос выбора структурно-алгоритмических решений, касающихся протокола обмена, количества датчиков и их конфигурации. Основной проблемой АБР являются низкие точностные характеристики. Эта проблема возникает в связи с ограничением, накладываемым на потребляемую мощность, обусловленным дистанционным питанием приборов. Другой важной задачей является выбор оптимального режима функционирования датчика по сложному составному критерию, который включает в себя эффективность использования энергии и достижимую погрешность измерений. Проблемным вопросом при разработке ИИС на основе АБР является оптимизация информационно-энергетических параметров беспроводных измерительных модулей.

Создание ИИС на основе АБР является перспективным и актуальным направлением в приборостроении. Применение АБР в составе ИИС позволит решить проблему установки большого количества датчиков в условиях ограниченного пространства и повысить ресурс работы системы. Вместе с тем существует множество нерешенных проблем, связанных с построением ИИС на основе АБР. Кроме вопросов, связанных со структурой ИИС и АБР, важным моментом является необходимость разработки методики расчета параметров АБР в составе системы.

Целью данной работы является создание новой распределенной информационно-измерительной системы мониторинга параметров объектов ракетно-космической техники на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Основные задачи исследования:

1) анализ способов построения и систематизация информационно-измерительных систем на основе сетевых датчиков, адаптированных для задач ракетно-космической техники;

2) разработка структуры информационно-измерительной системы двигательной установки на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

3) разработка математической модели автономного безаккумуляторного радиодатчика для решения задач повышения точности при условии минимального энергопотребления;

4) разработка инженерной методики расчета и оптимизации параметров информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

5) разработка и экспериментальное исследование информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, отвечающей требованиям высокой точности и низкому энергопотреблению.

Объектом исследования является информационно-измерительная система на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков для решения задач ракетно-космической техники.

Предметом исследования является структура информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков и выявление закономерности между энергетическими и точностными параметрами в виде информационно-энергетической функции обмена.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории обработки сигналов, численные методы, методы математической статистики, теория погрешностей, применены методы математического и компьютерного моделирования Ма^аЬ&ЗптшНпк.

Научная новизна работы:

1) разработаны математическая модель и методика получения количественных коэффициентов информационно-энергетической функции обмена для автономных безаккумуляторных радиодатчиков, основанные на общем принципе энергоинформационного обмена;

2) предложена модифицированная функция информационно-энергетического обмена, позволяющая производить расчет энергетических и временных параметров автономных безаккумуляторных радиодатчиков с учетом дополнительных источников помех в измерительном канале;

3) подтверждена возможность применения функции информационно-энергетического обмена для различного класса шумов, по результатам экспериментов и математического моделирования;

4) разработана программно-аппаратная реализация информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, удовлетворяющая специфике применения в ракетно-космической технике.

Практическая значимость. Основные теоретические положения диссертации использованы ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» при разработке макетных образцов информа-

ционно-измерительной системы двигательной установки на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков для решения задач ракетно-космической техники. Применение предложенных методов расчета параметров информационной энергетической функции обмена позволило обеспечить оптимальный с точки зрения затрачиваемой мощности и достижимой точности режим функционирования информационно-измерительной системы. Разработана инженерная методика расчета параметров информационно-энергетической функции.

На защиту выносятся:

1) результаты теоретических и экспериментальных исследований информационно-энергетической функции обмена для автономных безаккумуляторных радиодатчиков на основе разработанной математической модели;

2) инженерная методика расчета оптимальных параметров информационно-энергетической функции обмена автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

3) структура и алгоритм функционирования информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

4) модифицированная функция информационно-энергетического обмена для расчета энергетических и временных параметров автономных безаккумуляторных радиодатчиков, учитывающая дополнительные источники помех в измерительном канале.

Реализация работы и внедрение результатов. На основе теоретических исследований и разработок внедрены в опытное производство ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» беспроводные радиодатчики и приемопередающие модули: БД-ТВР (беспроводной датчик температурно-влажностного режима), МПДР 1 (модуль передачи данных с радиоканалом), ИМРК 1 (измерительный модуль с радиоканалом) - в ходе выполнения работ по договорам с ОАО «Российские космические системы» и работ, выполняемых по «Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг.» и Федеральной целевой программе «Развитие оборонно-промышленного комплекса России на 2007-2015 гг.».

Опытные образцы БД-ТВР используются в составе системы мониторинга перевозок ценных и опасных грузов железнодорожным транспортом, используемой ОАО «Российские космические системы».

Опытные образцы системы МПДР 1 используются в ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений» для автомати-

зированного удаленного конфигурирования параметров и контроля параметров цифровых интеллектуальных датчиков.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, 2009-2012), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009, 2011), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в науке, инженерии, управлении» (Таганрог, 2011, 2012), I Всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (Ульяновск, 2011), V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе пять работ в журналах из перечня рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК, семь печатных работ без соавторов, а также два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 110 наименований, изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены типовые структуры построения ИИС и приведена систематизация ИИС на основе сетевых датчиков.

Основной задачей, решаемой ИИС в составе изделий РКТ, является измерение и контроль параметров узлов изделия. Особенность ИИС для РКТ заключается в повышенных требованиях к массогабаритным параметрам и стойкости к внешним воздействиям.

В силу многообразия видов ИИС до настоящего времени не существует общепринятой систематизации, в связи с чем основное внимание в работе было уделено систематизации ИИС, адаптированной для задач РКТ.

В основу предложенной систематизации положены следующие признаки: способ передачи данных, способ обеспечения энергией, принцип передачи информации. На первом уровне выделены два вида

ИИС: использующие для передачи информации кабельную сеть и работающие на основе беспроводного канала связи. Исходя из специфики требований РКТ, ИИС, построенные на основе проводных решений, обладают рядом недостатков: громоздкость, необходимость проектирования размещения измерительных модулей и кабельных трасс, сложность обслуживания, что не позволяет применять их в некоторых случаях.

Особое положение в систематизации занимают беспроводные ИИС. Их особенностью является отсутствие кабельной сети в составе системы. Беспроводные системы на основе датчиков с автономным источником питания, функционирующие по принципу ретрансляции информации, обладают высокой надежностью, обусловленной возможностью динамического изменения маршрутов передачи данных. За счет этого свойства система может гарантировать доставку данных даже при условии выхода из строя части ретрансляторов.

Но беспроводные системы на основе датчиков с автономным питанием не всегда пригодны для измерения параметров в труднодоступных местах и агрессивных средах. Главным их недостатком является наличие аккумулятора, которое обуславливает небольшой ресурс и необходимость периодического обслуживания, а именно подзарядки или замены аккумуляторных батарей.

Из класса беспроводных ИИС можно выделить особый вид систем - ИИС на основе электромагнитного излучения. Для питания измерительных модулей используется энергия электромагнитного излучения. Прием и передача данных осуществляются также по радиоканалу. Достоинствами ИИС на основе электромагнитного излучения являются полная автономность и отсутствие кабельной сети.

По принципу передачи информации ИИС на основе электромагнитного излучения можно разделить на две группы: датчики на основе ПАВ (поверхностно-акустические волны), датчики на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, прототипом которых являются радиометки. Датчики на основе ПАВ имеют небольшие габариты, простой метод доступа к среде, но обладают низкой временной стабильностью и нестойки к механическим воздействиям.

С учетом современной тенденции развития микроэлектроники, а также уже развитой отрасли радиочастотных идентификационных меток возможен переход на новый класс беспроводных систем - ИИС на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков. Такие датчики позволяют обеспечить более гибкую настройку параметров и лучшие метрологические характеристики по сравнению с датчиками

на основе ПАВ. В ИИС на основе АБР всегда присутствуют два объекта: радиочастотный датчик и устройство считывания, которое также обеспечивает питанием датчик. Работа беспроводных датчиков в системе основана на получении энергии из электромагнитного поля, излучаемого антенной устройства считывания. Таким образом, применение АБР позволяет значительно увеличить ресурс ИИС и исключить обслуживание датчиков. Поэтому датчики с питанием от электромагнитного излучения являются более предпочтительными при использовании в составе беспроводных ИИС для решения задач PKT.

В результате анализа систематизации ИИС на основе сетевых датчиков был определен новый класс систем, обладающих рядом преимуществ для перспективного использования в PKT. Поскольку энергия для питания датчиков берется из ближнего электромагнитного поля, что накладывает ограничения на потребляемую мощность, ее должно быть достаточно для проведения измерения с заранее заданной точностью. В связи с этим актуальным становится вопрос расчета количества энергии, излученного считывателем, которого будет достаточно для обеспечения функционирования датчиков. Для проведения измерений, обеспечивающих достоверные данные, существует необходимость оптимизации распределения энергии в измерительном канале АБР, а также определения достаточного количества энергии для однократного измерения с заданной погрешностью.

Во второй главе представлена разработанная инженерная методика вычисления энергетических и временных параметров ИИС на основе АБР, приведена и исследована информационно-энергетическая функция обмена для измерительного канала.

Одной из главных проблем построения ИИС для РКТ является размещение измерительных модулей в ограниченном пространстве. Наиболее остро эта проблема стоит для ракет морского базирования, в которых необходимо проводить измерения параметров двигателя, частично размещенного в топливном баке. Использование обычных проводных систем внутри топливного бака требует определенных мер защиты, накладывающих ограничение на количество датчиков. Выходом является использование ИИС на основе АБР.

Энергию, которую получает АБР от устройства считывания, необходимо распределить между основными операциями, выполняемыми прибором во время сеанса связи. Суммарную потребляемую мощность АБР можно представить в следующем виде:

Р=Р +Р +Р +Р +Р

■* изм 'цот Щт'прт'ро'

где Р - общая мощность потребления АБР; Ртм - мощность, затрачиваемая на измерение; Рц0- мощность, затрачиваемая на цифровую обработку данных; Рпд - мощность, затрачиваемая на прием данных; Рпр- мощность, затрачиваемая на передачу данных; Рр0 - мощность,

потребляемая в режиме ожидания.

При детальном описании слагаемых была получена детализированная формула потребляемой мощности АБР:

Р = Рт м + (/с/** + /„ Р + /„ д + 1ро)и,

ГДе^ - частота работы процессора; к - коэффициент, определяющий количество потребляемого тока на 1 МГц тактовой частоты; /пр - ток, потребляемый во время приема данных; 1Ш - ток, потребляемый во время передачи данных; /р„ - ток, потребляемый в режиме ожидания;

и-опорное напряжение.

Большая часть потребляемой мощности АБР тратится передатчиком на трансляцию данных, что ограничивает количество энергии, доступной для проведения измерения. Таким образом, возникает необходимость определения минимального количества энергии, выделяемого на измерение, при котором будет обеспечена заданная точность.

Основной причиной неточности измерений является наличие шумовой составляющей в системе. Существует несколько видов помех, обусловленных различными физическими явлениями. Влияние большинства из известных видов помех можно исключить либо уменьшить с помощью аппаратных или программных методов.

Был проведен анализ теплового шума, который является неустранимым видом помех в измерительном канале. В результате анализа было выявлено, что одним из наиболее продуктивных способов уменьшения влияния теплового шума является применение методов обработки информации. При использовании цифровой фильтрации данных необходимо учитывать, что при усреднении большого количества данных, помимо хорошего подавления шумовых помех, будет проявляться эффект запаздывания, т.е. сигнал с выхода фильтра будет запаздывать относительно реального сигнала на некоторое время. Вместе с тем при уменьшении количества выборок все менее будет заметен эффект работы фильтра - отфильтрованный сигнал будет мало отличаться от исходного. Очевидно, что количество выборок будет зависеть от частоты информационного сигнала и времени измерения. В результате была выбрана формула, позволяющая рассчитать опти-

мальное количество выборок, что позволяет минимизировать статистическую погрешность при оценке среднего значения сигнала.

Другим параметром, влияющим на погрешность измерений, является время измерения. Время измерения выбирают исходя из частоты измерительного сигнала и требуемой погрешности.

Основными параметрами АБР являются потребляемая мощность, точность измерений и время работы, обеспечивающее заданные метрологические параметры. Все три параметра взаимосвязаны между собой. При проектировании АБР остро встает проблема определения соотношения информационно-энергетических параметров.

Для получения информационно-энергетической функции был проведен детальный анализ работ, посвященных исследованию и описанию природы теплового движения. В результате была получена формула, описывающая информационно-энергетическую функцию обмена, модифицированная для расчета параметров измерительного канала АБР с учетом влияния дополнительных источников помех в измерительном канале:

52Л = рШпД,

где П - статистическая сумма энергетических состояний рассматриваемой системы (в состоянии термодинамического равновесия); 5 -погрешность измерения; Р - мощность, затрачиваемая на измерение; Г - время измерения; Т - абсолютная температура; к - постоянная Больцмана; (3 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействие дополнительных источников помех в измерительном канале.

Для температуры 27 °С была рассчитана информационно-энергетическая константа - кТ\пС1, ее значение составило 2,3 8-10-22 Дж. Полученное значение определяет минимальное количество энергии, которое необходимо затратить на измерение для получения достоверных данных. Информационно-энергетическая константа позволяет учесть влияние только теплового шума. Для учета дополнительных источников помех был введен поправочный коэффициент р. Нахождение коэффициента осуществляется опытным путем, посредством измерения и расчета энергетических и точностных параметров конкретного прибора. На основании полученных значений времени измерения, мощности, затрачиваемой на измерение, и полученной погрешности рассчитывается значение коэффициента р.

Исходя из описанных соотношений была разработана инженерная методика расчета информационно-энергетических параметров ИИС на основе АБР (рис. I).

Рис. 1. Графическое описание инженерной методики расчета параметров ИИС:

(Е- целочисленная функция; /- время измерения; о - среднеквадратическое отклонение; р - математическое ожидание; Рти - мощность, затрачиваемая при измерении; Рэ - суммарная потребляемая мощность электронного блока АБР в режимах приема, передачи, обработки, ожидания; Спщ> - усиление передающей антенны; Лф ПеР - КПД передающей антенны; Спр- усиление приемной антенны; Т|ф пр - КПД приемной антенны; X - длина волны)

Методика заключается в расчете информационных и энергетических параметров ИИС:

1. Расчет времени измерения для достижения заданной точности

измерения.

2. Расчет оптимального числа выборок, обеспечивающих минимальную статистическую погрешность.

3. Расчет мощности, необходимой для проведения измерения с

заданной погрешностью.

4. Расчет мощности передатчика, необходимой для ооеспечения

работы АБР.

В результате была получена информационно-энергетическая функция обмена для измерительного канала. Получена информационно-энергетическая константа, определяющая минимальное количество энергии, при затрате которой от чувствительного элемента может быть получена информация. Разработана инженерная методика расчета параметров ИИС на основе АБР, позволяющая оптимизировать информационные и энергетические параметры системы.

12

В третьей главе разработаны структура ИИС, структура АБР и математическая модель работы элемента системы.

Для оптимизации параметров АБР была разработана математическая модель. Модель разработана в среде БтиНпк продукта МаНаЬ (рис. 2). Данная модель позволяет оценить погрешность преобразований при различных значениях времени измерения, количества выборок и плотности распределения воздействующих шумов. Таким образом, математическая модель позволяет подобрать оптимальное время измерения, которое будет обеспечивать заданную погрешность.

Также разработанная модель была использована для подтверждения возможности применения функции информационно-энергетического обмена для различного класса шумов.

генератор иума (рвлееасжое распределен«©)

Gaussian

генератор шуиа (сауссоеаое распределение)

в—

генератор сигнала

ш-

Анализатор плотности сглктрз

И

Є гВ

цуцоеая составляющая

інз

нэ

среднее Ja период

численное зяаченке

Рис. 2. Математическая модель АБР

Моделирование проводилось для различных плотностей распределения шумов, воздействующих на измерительный сигнал. Для моделирования воздействия теплового шума использовался генератор шумов с гауссовским распределением, а для моделирования помех, возникающих при коммутационных воздействиях, - генератор шума с релеевским распределением. Цель моделирования заключалась в подтверждении возможности применения информационно-энергетической функции обмена для различных классов шумов. В ходе эксперимента была проведена оценка погрешности измерения при различных значениях времени измерения. Из формулы, описывающей информационно-энергетическую функцию, известно, что 52 Pi = const для заданной температуры. Аналитическим путем было установлено, что функциональная зависимость между квадратом погрешности и

2 __ ]

временем измерения должна иметь следующий вид: 5 = f{t ). Подтверждением справедливости полученного соотношения между ин-

формационно-энергетическими параметрами для различного класса шумов будет служить совпадение характера зависимости квадрата погрешности от времени, полученного в ходе проведения эксперимента, и аналитического выражения приведенного выше. Результаты моделирования зависимости квадрата погрешности от времени измерения представлены на рис. 3.

0003 0004 О COS O.OOS 0.007 0 008 0.009 0,01 RBU« РЕЛЕЕВОСОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАУССОВСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ -достдаигллчто^ость

Рис. 3. Результаты моделирования

Горизонтальная прямая на графике означает минимально достижимую погрешность, обусловленную параметрами АЦП и уровнем шума. На графике прослеживается гиперболическая зависимость между переменными, т.е. можно утверждать, что 8 = /(/ ). Тем самым моделирование работы измерительного устройства подтвердило корректность полученной функции обмена, а также доказало ее справедливость для различного класса шумов.

На основании результатов анализа типовых структур построения измерительных устройств была предложена структура АБР (рис. 4). Предложенная структура позволяет реализовать АБР в минимально возможных габаритах и обеспечить малую массу. Кроме того, такой датчик не требует обслуживания для поддержания его в работоспособном состоянии и обладает большим ресурсом, что позволяет применять его для решения задач PKT.

Датчик состоит из блока питания, совмещенного с блоком интерфейса, устройства накопления энергии, детектора уровня напряжения, преобразователя емкость-код, центрального процессора и чувствительного элемента. Блок питания генерирует электрический ток за счет энергии, полученной от передатчика. Устройство накопления энергии позволяет накапливать заряд, полученный от блока питания. Детектор уровня сигнализирует о достижении порогового значения напряжения,

при котором энергии, запасенной устройством накопления, будет достаточно для обеспечения работы схемы датчика. Преобразователь емкость-код отвечает за преобразование сигнала с чувствительного элемента в цифровой код. Центральный процессор обрабатывает сигнал, полученный с чувствительного элемента, и передает его на блок интерфейса, с которого они транслируются по беспроводному каналу.

Блок питания + радиочастотный интерфейс

VD

'/ SA1 Xе

н т

Микроконтроллер (малолотробляющий. 8-разрядный)

Устройство накопления энергии

Детектор уровня

Преобразователь ёмгость-код

Пуск |—["ІЛ- |-

!а

±

J

Рис. 4. Структура АБР

Особенностью предложенной структуры ИИС является применение нового вида измерительных устройств - АБР. Структура ИИС приведена на рис. 5. За счет применения АБР удалось адаптировать ИИС к условиям функционирования, характерным для изделий PKT. Предложенная структура позволяет устанавливать датчики в ограниченном объеме пространства или внедрять непосредственно в конструкцию объекта измерения, не нарушая ее.

Рис. 5. Структура ИИС на основе АБР

Одной из главных проблем сетевых радиодатчиков является возникновение коллизий при опросе датчиков. Устранение этой проблемы было осуществлено за счет применения микропроцессорных АБР

с уникальной адресацией. Такая архитектура позволила обеспечить простой алгоритм опроса, основанный на запросе данных по адресу датчика. Кроме устранения коллизий, предложенное решение позволяет упростить протокол информационного взаимодействия между датчиком и устройством считывания.

Был разработан алгоритм функционирования ИИС на основе АБР (рис. 6). Алгоритм представляет собой описание последовательности действий выполняемыми элементами системы - устройством считывания и АБР, - во время обмена информацией и измерениями. Начало опроса инициирует устройство считывания. После включения передатчика антенна устройства считывания начинает излучать электромагнитный сигнал. Входной каскад АБР накапливает полученную энергию. Для выбора конкретного АБР, с которым будет вестись обмен информацией, устройство считывания передает идентификатор запрашиваемого датчика. В случае если полученный АБР идентификатор совпадает с идентификатором, хранимым в памяти прибора, АБР подтверждает запрос данных. В случае если идентификатор не совпадает с запрашиваемым, устройство считывания завершает сеанс связи. После подтверждения запроса, АБР продолжает накапливать энергию до тех пор, пока не произойдет срабатывание детектора уровня, сигнализирующее о достаточном количестве энергии для проведения измерения. После проведения измерения данные от АБР передаются считывающему устройству. Далее считывающее устройство отключает передатчик и передает данные в блок сбора данных.

Автономный беїаккумуляториьЛ рз/іиодатчик

- Синхронизация

Рис. 6. Алгоритм работы ИИС на основе АБР

Таким образом, была разработана структура ИИС на основе АБР, адаптированная для PKT. Была разработана структура АБР, обладающего повышенным ресурсом. Разработана математическая модель АБР, позволяющая выбрать оптимальное время измерения для обеспечения заданной точности. Также была подтверждена возможность применения информационно-энергетического обмена для различного класса шумов.

В четвертой главе разработана принципиальная схема АБР, приведены результаты испытаний, фотографии ИИС.

Принципиальная схема АБР представлена на рис. 7. Функционально АБР можно разделить на несколько частей: микроконтроллер (МК) (C8051F310, Silicon Labs), преобразователь емкость-код (ПЕК) (AD7746, Analog Devices), пассивный низкочастотный интерфейс (ПНИ) (TMS37157, Texas Instruments), детектор уровня (ДУ), антенна (А) и устройство накопления энергии (УНЭ).

ПЕК

Рис. 7. Электрическая принципиальная схема АБР

Преобразователь емкость-код преобразует значение емкости чувствительного элемента в цифровой код методом сигма-дельта преобразования с последующей фильтрацией полученного результата. Настройка параметров преобразователя (время преобразования, частота генератора и др.) осуществляется программно с помощью микроконтроллера.

Микроконтроллер предназначен для приема и обработки данных, полученных от чувствительного элемента. Обработка данных включает в себя коррекцию нелинейности характеристики чувствительного элемента, компенсацию температурных уходов, фильтрацию и норми-

рование выходного сигнала. Также микроконтроллер выполняет программирование микросхемы ПЕК и цифровую обработку полученной измерительной информации.

Средством приемопередачи данных, а одновременно и источником питания служит микросхема ТМ837157. Суммарный ток потребления схемы составляет 1,28 мА в импульсном режиме. Для передачи данных используется частотная модуляция.

Дальность считывания на открытом пространстве составляет 0,4 м. Время опроса одного АБР составляет 0,15 с. Благодаря применению методики расчета параметров ИИС удалось добиться погрешности измерений 0,52-0,78 % для измерения давления во всем температурном диапазоне от минус 40 до плюс 60 °С. Фото ИИС на основе АБР приведено на рис. 8.

а) б)

Рис. 8. ИИС на основе АБР: а- устройство считывания; б - автономный безаккумуляторный радиодатчик

Предложенная методика расчета параметров измерительного канала использована при разработке аккумуляторных измерительных модулей ИМРК 1, БД-ТВР, МРК 1 (система МПДР 1). Благодаря применению методики удалось повысить срок службы приборов без проведения подзарядки или замены аккумуляторных батарей в 1,4 раза.

Применение инженерной методики расчета параметров ИИС позволило оптимизировать работу системы с точки зрения информационно-энергетических параметров. Применение методики для аккумуляторных беспроводных измерительных модулей позволяет повысить точность измерительного прибора и при этом увеличить срок службы.

В приложении приводятся акт об использовании результатов работы, свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и листинг встроенного программного обеспечения для АБР.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований создана распределенная информационно-измерительная система мониторинга параметров объектов ракетно-космической техники на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

1. Проведен анализ способов построения информационно-измерительных систем, по результатам которого была приведена систематизация информационно-измерительных систем на основе сетевых датчиков, адаптированных для задач ракетно-космической техники.

2. Разработана структура информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, адаптированная для решения задач ракетно-космической техники. Описаны основные преимущества структуры: высокая точность, повышенный временной ресурс.

3. Разработана математическая модель АБР, позволяющая выбирать оптимальное время измерения, обеспечивающее заданную точность.

4. Разработана инженерная методика расчета параметров информационно-измерительной системы. Полученные значения временных констант используются в программном обеспечении макетных образцов автономных безаккумуляторных радиодатчиков.

5. Математически описана взаимосвязь между информационно-энергетическими параметрами автономного безаккумуляторного радиодатчика. Возможность использования полученной функции для различного класса шумов подтверждена с помощью разработанной математической модели и результатами работы макетных образцов АБР.

6. Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков. Разработано программное обеспечение, позволяющее изменять значения коэффициентов информационно-энергетической функции обмена датчика.

7. Разработана и исследована информационно-измерительная система на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, при проектировании которой была применена предложенная инженерная методика расчета параметров. Достигнута дальность передачи данных 0,4 м и погрешность измерений 0,52-0,78 % при измерении давления.

8. Инженерная методика вычисления и оптимизации информационно-энергетических параметров внедрена в опытные образцы беспроводных датчиков и преобразователей: ИМРК 1, БД- ТВР, БД-С, МПДР 1, СБР 1. Применение методики оптимизации информационно-энергетических параметров датчиков позволило повысить ресурс работы приборов в 1,4 раза по сравнению с макетными образцами.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Тужилкин, О. В. Системы мониторинга на основе беспроводных сетей / О. В. Тужилкин, Б. В. Чувыкин // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011. - № 5 (118). - С. 37-41.

2. Тужилкин, О. В. Применение нейронных сетей для повышения метрологических характеристик датчиков при измерении динамических процессов / О. В. Тужилкин, Н. С. Ульянин // Датчики и системы. - 2012. -№ 9. - С. 41-44.

3. Тужилкин, О. В. Методы оценки эффективности работы беспроводной сенсорной сети / О. В. Тужилкин, Н. С. Ульянин // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. -№ 5. - С. 28-32.

4. Тужилкин, О. В. Интеграция беспроводных датчиков в измерительную сеть / О. В. Тужилкин, А. Г. Дмитриенко, А. В. Блинов, С. А. Исаков, В. Н. Новиков// Датчики и системы. - 2012. - № 9. -С.44-46.

5. Тужилкин, О. В. Метод повышения энергоэффетивности датчи-ковых беспроводных систем / О. В. Тужилкин, Б. В. Чувыкин, И. А. Сидорова// Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - №3 -С. 155-158.

Публикации в других изданиях

6. Тужилкин, О. В. Энергоэффективные алгоритмы в беспроводных сенсорных сетях / О. В. Тужилкин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. (Пенза, 20-23 октября 2009 г.) / под ред. М. А. Щербакова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - С. 73-78.

7. Тужилкин, О. В. Беспроводные сенсорные сети. Протоколы взаимодействия / О. В. Тужилкин // Датчики и системы : сб. докл. XXVIII науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов (30-31 марта 2009 г.) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2009. -С. 92-99.

8. Тужилкин, О. В. Системы телекоммуникаций на основе беспроводных сетей распределенных объектов измерения / О. В. Тужилкин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 19-22 апреля 2011 г.) : в 2 т. / под ред д.т.н., проф. М. А. Щербакова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.-Т. 2.-С. 140-143.

9. Тужилкин, О. В. Беспроводная система мониторинга грузоперевозок железнодорожным транспортом / О. В. Тужилкин, А. Н. Гуляев // Датчики и системы : сб. докл. XXX межрегион, науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов (30-31 марта 2011 г., Пенза) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. - С. 259-260.

10. Тужилкин, О. В. Беспроводные датчиковые сети. Ключевые термины и определения / О. В. Тужилкин // Датчики и системы : сб. докл. XXX межрегион, науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов (30-31 марта 2011 г., Пенза) / под ред. А. В. Блинова. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011,-С. 316-321.

11. Тужилкин, О. В. Беспроводные самоорганизующиеся сети мониторинга распределенных объектов измерения / О. В. Тужилкин //Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах : тез. докл. 1-й Всерос. науч.-практ. конф. (г. Ульяновск, 6—10 сентября 2011 г.). - Ульяновск : УлГТУ, 2011. -С. 68-69.

12. Тужилкин, О. В. Особенности МАС-протоколов для беспроводных сенсорных сетей / О. В. Тужилкин // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий : тез. докл. V Всерос. науч.-техн. конф. (5-7 июня 2012 г.). - М. : Радиотехника, 2012. - С. 201.

13. Тужилкин, О. В. Вычисление энергетического ресурса автономных измерительных модулей на основе беспроводной связи / О. В. Тужилкин, В. Н. Новиков, Б. В. Чувыкин // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы - 2012) : тр. Междунар. науч.-техн. конф. с элементами научной школы для молодых ученых (г. Пенза, 22-26 октября 2012 г.) / под ред. Е. А. Ломтева, А. Г. Дмитриенко, -Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - С. 138-139.

14. Тужилкин, О. В. Вычисление точностно-временных параметров автономных измерительных модулей на основе беспроводной связи / О. В. Тужилкин, В. Н. Новиков, Б. В. Чувыкин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. — 2012. — № 2. — С. 35—38.

15. Тужилкин, О. В. Оценка энергетических характеристик пассивных радиодатчиков с учетом заданной погрешности / О. В. Тужилкин, В. Н. Новиков, Б. В. Чувыкин // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий : тез. докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. 5-7 июня 2013 г. - М. : Физматлит, 2013. - С. 101.

16. Тужилкин, О. В. Программа управления двухканальным емкостным интеллектуальным датчиком давления с токовым выходом : свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / О.В. Тужилкин, Б. В. Чувыкин. - № 2012618821; заявл. 01.08.2012;

опубл. 28.08.2012.

17. Тужилкин, О. В. Программа для самоорганизации беспроводных модулей в беспроводной сети : свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / О. В. Тужилкин, Б. В. Чувыкин.-№2012618822; заявл. 01.08.2012; опубл. 28.08.2012.

Научное издание

ТУЖИЛКИН Олег Владимирович

БЕСПРОВОДНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ АВТОНОМНЫХ БЕЗАККУМУЛЯТОРНЫХ РАДИОДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение №28/2013 от 12.11.2013.

Подписано в печать 15.11.13. Формат 60х847)6. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 923.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-таі1:ііс@рг^и.ги

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454560

ТУЖИЛКИН Олег Владимирович

БЕСПРОВОДНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ АВТОНОМНЫХ БЕЗАККУМУЛЯТОРНЫХ РАДИОДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор Чувыкин Б.В.

ПЕНЗА 2013 г.

Содержание

введение 4 Глава 1 - Анализ современного состояния исследований и разработок беспроводных

информационно-измерительных систем 10

1.1 беспроводные сенсорные сети. общие понятия. 11

1.2 частотные диапазоны радиоканала для беспроводных ИИС 13

1.2.1 Нелицензируемые частоты до 1 ГГц 13

1.2.2 Анализ возможностей использования частотного диапазона 2,4 ГГц 16

1.3 Анализ алгоритмов маршрутизации в беспроводных ИИС 21

1.4 Анализ топологий беспроводных ИИС 22

1.5 Анализ существующих беспроводных решений для сенсорных сетей. 26

1.5.1 Анализ технологии построения беспроводной ИИС гювее 26

1.5.2 Анализ платформенного решения для построения беспроводной ИИС МЕБнЬоетс 29

1.6 Анализ принципов радиочастотной идентификация 34

1.7 Системы на основе безаккумуляторных радиодатчиков 44

1.8 Систематизация ИИС 47

1.9 Выводы по главе 50 Глава 2 - Методы и способы снижения влияния шумовой составляющей на результат измерения 51

2.1 Анализ влияния шумов на погрешность измерений 53

2.2 Разработка методики вычисления оптимальных параметров измерительного канала. 56

2.3 Формализация функции информационно-энергетического обмена 63

2.4 оценка эффективности работы беспроводной ИИС 68

2.5 Выводы по главе 74 г Глава 3 - Способы повышения энергоэффективности автономных безаккумуляторных радиодатчиков в составе системы 75

3.1 Анализ протоколов сетевого взаимодействия 77

3.1.1 Методы доступа к среде 77

3.1.2 Энергоэффективные протоколы взаимодействия в беспроводных измерительных сетях и их особенности 85

3.2 Разработка алгоритма функционирования ИИС 97

3.3 Моделирование процесса измерения средствами Матьав згмиьпчк юо

3.3 Разработка структурной схемы АБР 106

3.4 Выводы по главе 111 Глава 4 - Практическая реализация и внедрение автономных безаккумуляторных радиодатчиков. Применение инженерной методики при проектировании датчиков и преобразователей 112

4.1 Аппаратная реализация датчиковой и преобразующей аппаратуры с учётом специфики ркт 113

4.2 Применение инженерной методики проектирования при разработке ёмкостного

двухканального датчика давления 115

4.3 Аппаратная реализация АБР 119

4.4 результаты испытаний 127 Заключение 131 Список литературы 13 3 Приложение А 143 Приложение Б 176 Приложение В 178

2

Список сокращений

АБР - автономный безаккумуляторный радиодатчик

АИ - аналоговый интерфейс

АС - абонентская станция

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БП — блок питания

БС - базовая станция

БСД - блок сбора данных

БСС - беспроводные сенсорные сети

ИД - интеллектуальный датчик

ИК - измерительный канал

ИОН - источник опорного напряжения

ИИС - информационно-измерительные системы

ЛВС - локальная вычислительная сеть

МК - микроконтроллер

ПО - программное обеспечение

РКТ - ракетно-космическая техника

РТР - ретранслятор

РЧИ - радиочастотный идентификатор УС - устройство считывания ЧЭ - чувствительный элемент

ISM - (от англ. industrial, scientific and medical) не лицензируемый диапазон частот, основными областями применения которого являются медицина, наука, промышленность

MAC - (от англ. Media Access Control) управление доступом к среде RFID - (от англ. radio frequency identifier) радиочастотный идентификатор TDMA - (от англ. Time Division Multiple Access) множественный доступ с разделением по времени

ВВЕДЕНИЕ

Состояние вопроса и актуальность темы

По мере развития информационно-измерительных систем (ИИС), усложнения объектов измерения, увеличения разнообразия решаемых задач в области мониторинга объектов ракетно-космической техники (РКТ), требуется совершенствование методов и средств измерений. Тенденция развития ИИС идёт по пути увеличения количества датчиков, интенсивного внедрения новых технологий использования автономных безаккумуляторных радиодатчиков (АБР) в составе системы. Перспективность ИИС на основе АБР связана с возможностью таких систем решать большинство проблем присущих проводным ИИС, таких как сложность установки, необходимость обслуживания, высокое энергопотребление, стоимость.

В настоящее время производство АБР слабо развито, но существует множество отечественных и зарубежных фирм, занимающихся разработкой и изготовлением радиочастотных идентификационных меток, на базе которых и строятся АБР. Наиболее известные из них: NXP Semiconductors, Motorola, Alien Technology, Applied Wireless RFID, Avery Dennision, Invengo, РСТ-Инвент, ГК «Систематика», ОАО «НИИМЭ и Микрон». Помимо выпуска радиочастотных идентификационных меток, большая часть этих фирм нацелена на освоение и развитие новых типов датчиков - автономных безаккумуляторных радиодатчиков.

Достижения отечественных научных школ, в области построения и оптимизации ИИС связаны с именами таких учёных как: П.В. Новицкий, М.П. Цапенко, В.Г. Кнорринг, В.А. Грановский, А.В. Фремке, В.М. Шляндин, Е.П. Осадчий, В.П. Кузнецов, Ю.П. Иванов. Ими были заложены основные принципы построения систем, определения. принципов внутрисистемного взаимодействия. Несмотря на значительные достижения

в данной области, существуют нерешённые задачи, связанные с определением структуры ИИС, разработкой алгоритма функционирования, улучшением метрологических характеристик при ограниченном энергетическом ресурсе, особенно это относится к областям применения с жёсткими требованиями к условиям функционирования, к примеру, в области PKT.

Адаптация ИИС для решения задач РКТ требует значительной проработки. Повышенные требования к условиям функционирования накладывают жёсткие ограничения на массу, габариты и ресурс системы. Применение АБР позволяет обеспечить все заданные требования, но вместе с тем возникает ряд проблем, связанных со спецификой их функционирования.

Разработка ИИС на основе АБР для РКТ имеет ряд научных, технических, инженерных проблем, связанных с особенностью их применения. К примеру, очень важным является вопрос выбора структурно-алгоритмических решений, касающихся протокола обмена, количества датчиков и их конфигурации. Основной проблемой АБР являются низкие точностные характеристики. Эта проблема возникает в связи с ограничением, накладываемым на потребляемую мощность, обусловленным дистанционным питанием приборов. Другой важной задачей является выбор оптимального режима функционирования датчика по сложному составному критерию, который включает в себя эффективность использования энергии и достижимую погрешность измерений. Проблемным вопросом при разработке ИИС на основе АБР является оптимизация информационно-энергетических параметров беспроводных измерительных модулей.

Создание ИИС на основе АБР является перспективным и актуальным направлением в приборостроении. Применение АБР в составе ИИС позволит решить проблему установки большого количества датчиков в

условиях ограниченного пространства и повысить ресурс работы системы.

5

Вместе с тем, существует множество нерешённых проблем связанных с построением ИИС на основе АБР. Кроме вопросов связанных со структурой ИИС и АБР, важным моментом является необходимость разработки методики расчёта параметров АБР в составе системы.

Целью данной работы является создание новой распределённой информационно-измерительной системы мониторинга параметров объектов ракетно-космической техники, на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Основные задачи исследования:

1) Анализ способов построения и систематизация информационно-измерительных систем на основе сетевых датчиков, адаптированных для задач ракетно-космической техники.

2) Разработка структуры информационно-измерительной системы двигательной установки на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

3) Разработка математической модели автономного безаккумуляторного радиодатчика для решения задач повышения точности при условии минимального энергопотребления;

4) Разработка инженерной методики расчёта и оптимизации параметров информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

5) Разработка и экспериментальное исследование информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, отвечающей требованиям высокой точности и низкому энергопотреблению.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории обработки сигналов, численные методы, методы математической статистики, теория погрешностей, применены методы математического и компьютерного моделирования МаиаЬ&БтиНпк.

Научная новизна работы:

1) Разработаны математическая модель и методика получения количественных коэффициентов информационно-энергетической функции обмена для автономных безаккумуляторных радиодатчиков, основанные на общем принципе энергоинформационного обмена;

2) Предложена модифицированная функция информационно-энергетического обмена, позволяющая производить расчёт энергетических и временных параметров автономных безаккумуляторных радиодатчиков с учётом дополнительных источников помех в измерительном канале;

3) Подтверждена возможность применения функции информационно-энергетической обмена для различного класса шумов, по результатам экспериментов и математического моделирования;

4) Разработана программно-аппаратная реализация информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков, удовлетворяющая специфике применения в ракетно-космической технике.

Практическая значимость

Основные теоретические положения диссертации использованы ОАО «НИИФИ» при разработке макетных образцов информационно-измерительной системы двигательной установки на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков для решения задач ракетно-космической техники. Применение предложенных методов расчёта параметров информационной энергетической функции обмена позволило обеспечить оптимальный, с точки зрения затрачиваемой мощности и достижимой точности, режим функционирования информационно-измерительной системы. Разработана инженерная методика расчёта параметров информационно-энергетической функции.

На защиту выносятся:

1) Результаты теоретических и экспериментальных исследований информационно-энергетической функции обмена для автономных безаккумуляторных радиодатчиков на основе разработанной математической модели;

2) Инженерная методика расчёта оптимальных параметров информационно-энергетической функции обмена автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

3) Структура и алгоритм функционирования информационно-измерительной системы на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков;

4) Модифицированная функция информационно-энергетического обмена для расчёта энергетических и временных параметров автономных безаккумуляторных радиодатчиков, учитывающая дополнительные источники помех в измерительном канале.

Реализация работы и внедрение результатов.

На основе теоретических исследований и разработок внедрены в опытное производство ОАО «НИИФИ» беспроводные радиодатчики и приёмопередающие модули - БД-ТВР (беспроводной датчик температурно-влажностного режима), МПДР 1 (модуль передачи данных с радиоканалом), ИМРК 1 (измерительный модуль с радиоканалом) - в ходе выполнения работ по договорам с ОАО «Российские космические системы» и работ, выполняемых по «Федеральной космической программе России на 2006-2015 гг.» и Федеральной целевой программе «Развитие оборонно-промышленного комплекса России на 2007-2015 гг.».

Опытные образцы БД-ТВР используются в составе системы мониторинга перевозок ценных и опасных грузов железнодорожным транспортом, используемой ОАО «РКС».

Опытные образцы системы МПДР 1 используются в ОАО «НИИФИ» для автоматизированного удалённого конфигурирования параметров и контроля параметров цифровых интеллектуальных датчиков.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе пять работ в журналах из перечня рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК, семь печатных работ без соавторов, а также два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 110 наименований, изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 7 таблиц.

Глава 1 - Анализ современного состояния исследований и разработок беспроводных информационно-измерительных систем

В первой главе рассматриваются типовые структуры ИИС, способы их построения. Для выявления перспективных направлений построения ИИС на основе сетевых датчиков для РКТ, приводится систематизация. Так как ИИС для РКТ обладают рядом специфических характеристик, их классификация должна вестись с учётом этих особенностей. Таким образом, встаёт необходимость указания наиболее важных параметров РКТ, учёт которых необходим при разработке ИИС. Актуальной является задача увеличения полезного объёма, предназначенного для перевозки грузов и людей, т.е. необходима минимизация габаритов измерительной аппаратуры. Обязательным свойством всех изделий для РКТ является повышенный ресурс систем и измерительного оборудования.

Предложенная систематизация позволяет выявить тип ИИС соответствующий основным требования РКТ. Наиболее полно всем требования соответствует ИИС на основе автономных безаккумуляторных радиодатчиков (АБР). АБР обладают большим ресурсом и малыми массогабаритными характеристиками. Кроме того, АБР являются беспроводными и не требует прокладки кабельной сети для передачи информации и обеспечения энергией.

1.1 Беспроводные сенсорные сети. Общие понятия.

Перспективность применения беспроводных технологий

обусловлена удобством и надёжностью данного решения. Использование радиоканала в качестве среды передачи информации позволяет отказаться кабельной сети, упростив тем самым проектирование системы и способ её установки. Одним из наиболее перспективных направлений в области контроля и измерения параметров распределённых объектов измерения является использование беспроводных сенсорных сетей.

Под определением беспроводная сенсорная сеть понимается беспроводная самоорганизующаяся сеть с низкой скоростью передачи данных и низким энергопотреблением [58, 64]. Другими словами БСС -это сеть, в состав которой входит множество миниатюрных узлов, включающих маломощный приемо-передатчик, микропроцессор, аккумулятор и датчик (Рисунок 1).

Основное назначение БСС - обеспечение связи в системах с переменной структурой или с изменяющимся расположением узлов. В таких сетях возможно наличие нескольких путей прохождения сигнала через ближайшие ретрансляторы [25] (Рисунок 2).

Рисунок 1 - Структура беспроводного датчика

Рисунок 2 - Структура соединений БСС

Где «АС» - абонентская станция, «РТР» - ретранслятор.

В рассматриваемых сетях возникает проблема управления на разных уровнях открытой модели информационных систем 081. В частности, физический уровень должен адаптироваться к изменениям доступной линии радиосвязи и смене самой линии. Уровень управления множественным доступом должен позволять минимизировать наложение передаваемых данных. На сетевом уровне должна определяться наиболее выгодная из доступных линий радиосвязи исходя из доступной информации.

В БСС должна иметь место функция интеграции с другими сетями и обеспечиваться автоконфигурация в соответствии с требуемыми изменениями. На транспортном уровне должна быть реализована возможность ведения статистики задержки сигнала и потерянных пакетов. Приложения должны быть разработаны с учетом частых разрывов связи и быть устойчивыми к переменным задержкам и потере пакетов [24].

Примерами сетей БСС могут служить радиосети военного применения, портативные компьютеры (планшеты, ноутбуки, и т.д.) и т.п.

К особенностям БСС относятся:

- Базовые станции не устанавливаются стационарно в фиксированных точках;

- Высокая масштабируемость;

- БСС автоматически адаптируются к изменениям условий функционирования касающихся расположения узлов и маршрутов распространения сигнала;

- Высокая энергетическая эффективность - срок эксплуатации может достигать нескольких лет (зависит от частоты опроса датчиков);

- Высокая надежность и отказоустойчивость системы, которые достигаются за счёт избыточности маршрутов передачи данных