автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.15, диссертация на тему:Метод функционирования систем мониторинга параметров объектов с изменяемой конфигурацией на базе дискретных беспроводных сенсорных сетей

604616159

На правах рукописи

Терентьев Максим Николаев!

МЕТОД ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ С ИЗМЕНЯЕМОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ НА БАЗЕ ДИСКРЕТНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сета»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 год

004616159

Работа выполнена на кафедре 609 «Прикладная информатика» Аэрокосмического факультета Московского авиационного института (государственного технического университета, МАИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Падалко Сергей Николаевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник Ляхов Андрей Игоревич, заведующий лабораторией методов анализа и синтеза сетевых протоколов ИППИ РАН им. А.А. Харкевича

кандидат технических наук, доцент Кудряшов Сергей Вячеславович, технический директор ООО «ИНФО ПОЛИТЕН»

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский институт космического приборостроения»

у*// st/

Защита состоится «_» л __ 2010 г. в 7 7 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.125.01 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете, МАИ) по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4. |

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета, МАИ).

Отзывы, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, МАИ, Ученый совет МАИ.

Автореферат разослан « 4 Ft 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.01, кандидат технических наук, доцент

A.B. Корнеенкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Задача обеспечения измерений параметров в различных точках объектов наблюдения/управления (далее - объектов обслуживания) с последующей передачей результатов измерений в центр сбора, хранения и обработки данных (ЦОД) является типовой при создании таких объектов и имеет глубокие исторические корни. Средства и методы решения данной задачи, называемой далее задачей мониторинга параметров объекта обслуживания, на протяжении всей истории её решения постоянно совершенствуются. Рубежным при создании систем мониторинга параметров (СМП) можно считать переход на использование цифровых технологий. В развитие этих технологий с конца 1990-х годов активно развивается направление, связанное с созданием СМП на базе беспроводных сенсорных сетей (БСС).

Основной особенностью БСС является использование радиоканала для передачи в ЦОД результатов измерений из различных точек объекта обслуживания. СМП при этом представляют собой множество связанных радиоканалами и работающих по единому алгоритму узлов, устанавливаемых в заданных точках измерений. В состав этих узлов, помимо датчиков, входят микропроцессор, приемник-передатчик и обеспечивающий их энергией автономный источник питания. Беспроводной характер связи, а именно, отсутствие проводов, связывающих датчики с ЦОД, открывает принципиально новые возможности создания СМП. Это особенно существенно для случаев, когда датчики должны быть установлены на подвижных элементах объекта обслуживания или, как будем говорить далее, если объект обслуживания может изменять конфигурацию во время работы.

Известно, что использование БСС при построении СМП, наряду с преимуществами, порождает, как минимум, две актуальные на сегодняшний день проблемы. Первая из них связана с возможностью потери части результатов измерений при их передаче в ЦОД из-за разрывов связей по радиоканалу между узлами и ЦОД вследствие изменения конфигурации объекта обслуживания, в первую очередь, изменения положения его частей, содержащих узлы и источники помех. Данная проблема может быть сформулирована как необходимость повышения относительной доли успешно дошедших до ЦОД результатов измерений, которую далее будем определять как надежность СМП. Вторая проблема связана с необходимостью экономного расхода энергии автономных источников питания узлов во избежание их частой смены или, как будем говорить далее, с целью повышения долговечности узлов. Данная проблема, как правило, решается за счет перевода работы узлов на дискретный режим, в котором активные фазы чередуются с фазами сна, когда узлы работают с пониженным энергопотреблением. Это, в свою очередь, чревато потерей данных при чрезмерном сжатии активных фаз в

интересах экономии энергии, а также порождает дополнительную проблему -проблему синхронизации шкал времени внутренних часов узлов сети.

Успешное решение названных проблем позволит расширить использование значительных потенциальных возможностей БСС при построении СМП объектов обслуживания с изменяемой конфигурацией. На решение этих проблем направлена представленная диссертационная работа, что свидетельствует о её актуальности.

Целью работы является сокращение потерь данных в СМП, создаваемых на базе дискретных БСС, при передаче результатов измерений в ЦОД по радиоканалу из различных точек объекта обслуживания с изменяемой конфигурацией и повышение долговечности узлов, работающих в дискретном режиме.

Объект исследования: функционирование системы мониторинга параметров объекта обслуживания изменяемой конфигурации на базе дискретной беспроводной сенсорной сети.

Предмет исследования; разработка метода функционирования СМП объекта обслуживания изменяемой конфигурации на базе дискретной БСС, позволяющего достичь заданных значений показателей функционирования СМП.

Методы исследования: основаны на методах имитационного моделирования и статистических испытаний, а также экспериментального определения характеристик аппаратуры.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней для достижения поставленной цели предложен метод функционирования СМП, базирующийся на следующих новых положениях:

1) структура взаимодействия узлов сети формируется для каждого сеанса измерений адаптивно к текущей конфигурации объекта обслуживания на основе физических адресов узлов;

2) синхронизация шкал времени внутренних часов узлов выполняется с учетом фактических задержек передачи сообщений с эталонным временем;

3) производятся оценка отклонения скорости хода часов от эталона и применение этой оценки для повышения точности момента пробуждения узла.

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в том, что в совокупности они обеспечивают проектирование и практическую реализацию систем мониторинга параметров объектов с изменяемой конфигурацией на базе дискретных БСС, функционирующих на основе предложенного метода. Применение данного метода позволяет

увеличить долговечность узлов системы на 30-40% при фиксированном уровне потерь результатов измерений или снизить уровень этих потерь на 10-15% при заданной долговечности узлов.

Результаты, выносимые па защиту:

1. Метод функционирования СМП объектов с изменяемой конфигурацией на базе дискретной БСС, обеспечивающий адаптивное формирование структуры взаимодействия узлов сети и их синхронизацию с учетом фактических задержек передачи эталонного времени и нестабильности характеристик осцилляторов узлов в период сна.

2. Модель функционирования СМП на базе предложенного метода, состоящая из имитационного блока (моделирование формирования структуры взаимодействия узлов, автономной работы узлов, нестабильности характеристик их осцилляторов), правил обработки результатов имитационного моделирования и вычислительного блока (расчет долговечности узлов).

3. Инструментальный комплекс, обеспечивающий проектирование (анализ и выбор рациональных параметров СМП на основе разработанной модели) и реализацию (на основе разработанной специализированной операционной системы) СМП, функционирующей согласно предложенному методу.

4. Результаты практической апробации предложенного метода и разработанных в его обеспечение модели и инструментального комплекса при решении задачи построения экспериментальной системы мониторинга параметров психофизиологического состояния космонавтов на борту Международной космической станции (МКС).

Апробация работы и публикации

Основные результаты доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании ИНФОТЕХ-2009» (Севастополь, 2009), третьей международной конференции «Системный анализ и информационные технологии САИТ-2009» (Москва, 2009), 8-й международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва, 2009), четвертой Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009), международной конференции «Distributed Computer and Communication Networks. Theory and Applications» (DCCN-2010).

Список публикаций по теме диссертации содержит 8 наименований, из них два - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Достоверность результатов подтверждается строгостью изложения, корректным использованием математического аппарата, методов имитационного моделирования и статистических испытаний, а также проведения экспериментов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из четырех глав, заключения, списка литературных источников из 65 наименований. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу особенностей и проблем создания систем мониторинга параметров объекта обслуживания изменяемой конфигурации на базе дискретных БСС. При этом выделены три задачи, решаемые далее в представленной работе. Первая из этих задач следует из непостоянства конфигурации объекта обслуживания в процессе функционирования системы мониторинга. При её решении требуется обеспечить гибкое (адаптивное к текущей конфигурации объекта обслуживания) формирование структуры взаимодействия узлов СМП в зависимости от текущих условий их обмена радиосигналами. Следующие две задачи вытекают из дискретного характера функционирования системы мониторинга и направлены на повышение долговечности её узлов за счет более эффективной синхронизации их шкал времени. Решения трех названных задач находятся в тесной взаимосвязи. В работе они объединены в единый метод функционирования СМП объектов с изменяемой конфигурацией. В рассматриваемой главе приведены основные положения данного метода и общая схема функционирования СМП на его основе.

БСС обладают следующими характерными особенностями: 1) для передачи информации используется электромагнитное излучение, 2) мощность передатчиков узлов не превышает 1 мВт, 3) скорость передачи данных в БСС не более 250000 бит в секунду, 4) узлы БСС оснащены датчиками для измерения значений полей физических величин. Таким образом, в состав узла БСС входят: микропроцессор, приемник-передатчик, датчики, источник питания (ИП). По своей роли узел БСС может бьпъ измерителем (он выполняет измерения), маршрутизатором (он обеспечивает связность сети) или шлюзом (этот узел обеспечивает передачу полученных данных в ЦОД).

Из названных особенностей БСС следуют две группы проблем. Первая из них связана с тем, что при использовании радиоканала для передачи результатов измерений в условиях малой мощности узлов, сложной и изменяющейся конфигурации объекта обслуживания и зашумленности эфира возможна потеря результатов измерений того или иного узла в процессе их доставки до шлюза. Данная проблема порождает задачу сокращения потерь информации при передаче результатов измерений от каждого узла-датчика шлюзу сети. Далее будем определять её как обеспечение надежности СМП, а количественную характеристику потерь информации считать основным критерием оценки системы мониторинга.

Вторая группа проблем связана с обеспечением узлов сети электропитанием. Она обусловлена необходимостью использования в БСС

автономных источников питания, т.к. использование сетевых ИП требует прокладывания проводов для питания узлов и делает использование беспроводной технологии для передачи данных бессмысленным. В свою очередь необходимость использования автономных источников питания, срок службы которых без принятия специальных мер может оказаться неприемлемо коротким, порождает проблему обеспечения долговечности СМП, количественная характеристика которой определяется временем исчерпания заряда ИП узлов сети и также рассматривается как критерий оценки СМП.

При произвольном расположении узлов, особенно учитывая возможность их перемещений, наличия нерадиопрозрачных перегородок и т.п. не все узлы-измерители обладают возможностью непосредственного обмена сообщениями по радио с узлом-шлюзом. Это объясняется малой мощностью передатчиков, наличием препятствий для распространения радиосигналов и зашумленностью эфира. В этих условиях с целью недопущения потери информации в СМП или, другими словами, для обеспечения связности сети, на её узлы возлагается задача приема и ретрансляции результатов измерений других узлов, не имеющих связи со шлюзом. При этом предусматривается возможность построения цепочек ретрансляций при доставке данных от некоторых узлов до шлюза. В итоге маршруты доставки сообщений от узлов-измерителей БСС до шлюза в общем случае представляют собой древовидную структуру.

Очевидно, что возможны ситуации, когда не существует маршрута доставки сообщений от отдельных узлов до шлюза, используя только узлы-датчики. В таких случаях в состав БСС вводят маршрутизаторы. Их принципиальным отличием от узлов-измерителей является то, что они не «привязаны» к директивно заданным точкам измерений. Их число и места расположения являются предметом выбора при проектировании СМП.

Выбирая количество и расположение маршрутизаторов, можно построить систему маршрутов доставки сообщений с данными измерений от каждого узла до шлюза. Однако, при изменении конфигурации объекта обслуживания, в первую очередь, при изменении положения его частей, на которых расположены датчики, маршрутизаторы и источники помех, возможна потеря радиовидимости узлов, связанных заранее зафиксированным маршрутом. Следовательно, передаваемые при этом результаты измерений будут потеряны. Данная проблема усугубляется тем, что на практике изменения конфигурации часто носят случайный характер.

Проблема повышения долговечности узлов решается путем организации дискретного режима работы узлов, при котором функционирование каждого узла состоит из двух последовательно сменяющих друг друга фаз: фазы активной работы и фазы сна. На фазе активной работы узлы выполняют свои функции, расходуя энергию ИП без ограничений. На фазе сна узлы не выполняют полезной работы, практически не потребляя энергии. В дальнейшем такого рода БСС будем называть дискретными. Суммарная длительность обеих названных фаз для данной СМП задается директивно.

Очевидным преимуществом дискретных БСС является повышение долговечности в 10-1000 раз. В то же время, область применения БСС в случае

их дискретного режима работы несколько сужается: так как узлы выполняют свою работу только в период активной фазы, исключается непрерывное получение данных от датчиков, входящих в состав узлов.

Использование дискретного режима функционирования БСС, решая проблему долговечности ИП, в свою очередь, порождает новую весьма существенную проблему - проблему синхронизации работы ей узлов, степень успешности решения которой прямо влияет и на долговечность, и на надежность сети в целом. Источником данной проблемы является тот факт, что отправленное одним узлом сообщение может быть принято другими узлами только тогда, когда они также находятся в активной фазе. В противном случае сообщение будет потеряно.

Предлагаемый метод функционирования СМП объектов обслуживания с изменяемой конфигурацией узлов направлен на комплексное решение как проблемы надежности передачи результатов измерений, так и проблемы долговечности узлов.

Взаимодействие узлов осуществляется путем обмена сообщениями двух видов: сообщениями, связанными с эталонным временем, при синхронизации часов узлов, и сообщениями с результатами выполненных измерений.

При синхронизации выполняются следующие действия:

1) с периодичностью все узлы сети, включая шлюз, переходят в активную фазу функционирования;

2) шлюз как источник эталонного времени в широковещательном режиме передает сообщение с эталонным временем;

3) узлы в начальный период активной фазы находятся в состоянии ожидания/приема сообщения с эталонным временем;

4) одна часть узлов получает сообщения с эталонным временем и выполняет соответствующие действия по коррекции своих часов. Адрес узла, от которого получено сообщение с эталонным временем, запоминается в памяти узла-приемника. После этого данная часть узлов может стать источником эталонного времени для узлов, до которых по тем или иным причинам при текущей конфигурации объекта обслуживания не дошли сообщения с эталонным временем. Эта часть узлов продолжает находиться в состоянии ожидания;

5) узлы, получившие сообщения эталонного времени и синхронизировавшие свои часы, посылают сообщения с эталонным временем также в широковещательном режиме для еще не синхронизированных узлов.

6) и т.д., переходя к п. 3.

Для предложенного метода принципиально важно, что отправка синхронизирующих сообщений выполняется в широковещательном режиме, что означает следующее: сообщение, переданное одним из узлов, доставляется всем узлам, которые могут его принять в силу своего положения в пространстве относительно передатчика при воздействии помех. Это обеспечивает возможность синхронизации нескольких узлов одним сообщением, исходящим от одного узла. Тогда в результате выполнения представленной рекурсивной

процедуры может быть зафиксирована структура взаимодействия узлов в процессе синхронизации, имеющая древовидный характер, вершиной которой является шлюз. В предлагаемом методе структура взаимодействий узлов фиксируется в виде отдельных упорядоченных пар:

• идентификатор синхронизирующего узла;

• идентификатор синхронизируемого узла.

В дальнейшем структуру взаимодействия узлов будем называть деревом ретрансляций (ДР). Оно строится на этапе синхронизации часов узлов при ретрансляции сообщений с эталонным временем сверху вниз, от шлюза к узлам. При выполнении измерений их результаты ретранслируются снизу вверх, от узлов к шлюзу.

В качестве уникального идентификатора узла предлагается использовать его физический адрес в сети, который, согласно стандарту IEEE 802.15.4, является обязательным атрибутом узла. Тогда названная выше пара реализуется в виде пары адресов взаимодействующих узлов и хранится на синхронизируемом узле (рис. 1).

датчик | | Лс I

j^o | ретранслятор

датчик | А, | Л, |

датчик А>М, 1

| | 0 | датчик вне сети

Рис. 1. Использование адресных атрибутов при построении дерева ретрансляций.

Для повышения точности синхронизации предлагается выполнять следующие действия:

1) при передаче эталонных отметок времени измерять фактическую величину задержки доступа к каналу, а результат использовать в качестве поправки к эталонной отметке времени (рис. 2);

V 1 V 1 V 1

1 1 i i

| Занят | ! )

Ф Щ]

Узел А-1-1-1-►

ч и

Рис. 2. Измерение фактической величины задержки доступа к каналу.

2) оценивать отклонение скорости хода часов узла от эталона, и эту оценку использовать для уточнения момента пробуждения узла.

Вторая глава работы посвящена построению модели функционирования СМП согласно предложенному методу.

Объект обслуживания £1 представлен своими внутренними обводами, состоящими из множества твердых тел множеством помех {IV,},

температурой Г:

а=({»*}.№г). «

При этом каждый источник помех определяется в виде

= (2)

где У = (у1 ,уг, у31 - координаты помехи в декартовой системе координат

объекта обслуживания, V - мощность излучения помехи в заданном диапазоне.

Узлы в сети определяются набором:

е=(А,2,х,р,т,яД), (3)

где А - уникальный физический адрес узла в сети, Z - признак функционального назначения узла, принимающий значения Zшm", если узел является шлюзом

2_. 2шме?1газь ? если узел является измерителем , (4)

2ретранслятор ^ есди у3ед является ретранслятором

Х^*1,*2,*3) - координаты узла в декартовой системе координат объекта обслуживания, Р - параметры аппаратуры узла, Т - параметры осциллятора узла, Н - параметры алгоритма работы узлов, А - адрес узла, являющегося родителем А в ДР.

ДР представлено в виде множества упорядоченных пар:

¥ = = (5)

где N - общее число узлов СМП.

Таким образом, СМП определяется тройкой Ее основными

показатели являются надежность Р* и долговечность Надежность СМП характеризует свойства данной системы, связанные с доставкой результатов измерений, полученных узлами-датчиками за некоторый заданный период узлу-шлюзу и определяется в виде:

Млн.

где Мок - число полученных шлюзом сообщений с результатами измерений за некоторый заданный период Мл11 - число сообщений с

результатами измерений, которые должен получить шлюз за этот период. Считая И кратным получим:

(7)

где - число узлов-измерителей в СМП. Так как ^ и N5 являются известными величинами, определение надежности (6) сводится к определению Мок - числа сообщений с результатами измерений, полученных шлюзом. На формируемую модель возлагаются две следующие задачи.

1. Исходя из выбранных параметров алгоритма Я, определить число Мок успешно доставленных результатов измерений и

диагностировать причины недоставки остальных Мм1 - Мок

результатов измерений.

2. Исходя из выбранных параметров алгоритма Н, определить долговечность узлов СМГГ.

Разрабатываемая модель учитывает множество недетерминированных и часто не имеющих формульного выражения связей и факторов. Поэтому модель сформируется из двух частей: имитационной и вычислительной, связанных специальной процедурой обработки данных имитационного моделирования. В соответствии с этим разрабатываемая ниже модель имеет следующую структуру (рис. 3).

Рис. 3. Структура модели.

Рассмотрим имитационную часть модели. Она состоит из трех блоков: 1) формирование ДР, 2) автономная работа узлов в соответствии с алгоритмом, диктуемым предложенным принципом синхронизации узлов, 3) работа аппаратуры узлов с учетом случайных колебаний их характеристик.

Основной задачей блока формирования ДР Ч? является формирование

дерева ретрансляций как множества пар каждая из которых хранится

на г-ом узле. Исходными данными для её решения являются данные о текущей конфигурации объекта обслуживания и параметров узлов. Данное формирование, производится для каждого сеанса измерений (для каждой активной фазы) на основе рассылаемых сообщений с эталонным временем рекурсивно, начиная со шлюза.

В основу формирования дерева ретрансляций *Р положено моделирование работы радиоканала, работающего в безадресном режиме. При этом далее считается, что взаимодействие пары узлов посредством радиоканала требует выполнения следующих необходимых условий:

1) наличия прямой видимости1;

2) достаточности мощности передаваемого сообщения с учетом помех;

3) получения доступа к каналу в режиме конкуренции.

Признак наличия прямой видимости 8 определяется в следующем виде:

(8)

где [©¡©^ - отрезок, соединяющий узел ©( с координатами и узел с координатами *Зк - тело с

индексом к, формирующее наряду с другими телами внутренний контур объекта обслуживания, К - общее количество тел.

Условие достаточности мощности Р^ принимаемого сигнала без учета действия помех имеет вид

Ркх ^ Ркхтт' (9)

где РцхтЫ - чувствительность приемника. Мощность Рцх зависит от мощности передатчика Рт, расстояния А между приемником и передатчиком, длины волны Я, коэффициентов направленного действия передающей и приемной бдх антенн:

В вычислительном эксперименте будем считать возможным прием сигнала в условиях помех при выполнении соотношения

1 Данное условие позволяет получить нижнюю оценку показателя надежности.

- предельная величина качества связи, гарантирующая

(П)

возможность передачи данных, II - ширина диапазона, К - скорость передачи битов, ]1 - суммарная мощность помех, действующих в окрестности узла ©;. Эта мощность определяется выражением 1 V-

(12)

где ку - коэффициент, показывающий ослабление излученной мощности помехи с номером / в окрестности узла 0;:

Таким образом, условие (9) обеспечивает возможность получения сообщения приемником заданной чувствительности, а условие (11) обеспечивает возможность получения сообщения при наличии помех, уровень которых относительно сообщения не выше заданного.

Имитационное моделирование учитывает занятость радиоканала. Алгоритм множественного доступа стандарта ШЕЕ 802.15.4 позволяет обнаруживать такую занятость только в случае, если передатчик в состоянии обнаружить помеху. Но помеха может действовать не в окрестности передатчика, а в окрестности приемника. Тогда передатчик при проверке занятости канала не обнаружит помеху и начнет свою передачу. В результате на антенне приемника произойдет сложение сигналов двух передатчиков. Такая ситуация называется коллизией.

Блок моделирования автономной работы узла моделирует деятельность узла, протоколируя основные события в журнале 2. При имитационном моделировании узлы в фазу сна не переходят, т.е. моделируется непрерывно работающая СМП с дискретно выполняемыми измерениями. Это позволяет получить результаты моделирования, не зависящие от параметров активной фазы.

События 4 > происходящие на узлах, заносятся в единый протокол Н={£;},г = 1,ЛГе, где - число событий в протоколе. Запись каждого события в этом протоколе содержит следующие данные:

1) время наступления события по истинной шкале,

2) адрес узла ае, к которому относится событие,

3) тип события

(13)

lp"cv, если протоколируется получение результатов s" = sCHHXi,0™jai3M 5 если протоколируется синхронизация , (14)

^начало ^ если протоколируется начало активной фазы

4) параметры, исчерпывающим образом описывающие событие. Для названных выше типов событий sc протоколируются следующие параметры. При протоколировании события s"1""" в журнале сохраняется адрес origin* узла, являющегося источником результатов. При протоколировании события sCBH4x,H№ в журнале сохраняется величина отставания часов узла Aie от эталона и адрес узла-родителя в ДР parentе:

(te,ae,se,origin'), £=(te,ae,se,Me,parent'), sc = sora>10™Mli,u . (15)

(te,ae,se), se=sHa4a-10

Сохраненное перед синхронизацией показание собственных часов используется узлом для вычисления коэффициента линейного дрейфа S локальных часов относительно эталона:

где вп - показание локальных часов в момент данной синхронизации, в'п и - показание эталонных часов в момент текущей и предыдущей синхронизации соответственно. Вычисленное значение коэффициента дрейфа применяется к показаниям локальных часов в для получения скорректированного значения времени в

e = 8S. (17)

Блок моделирования работы аппаратуры узлов с учетом возможностей случайных колебаний их характеристик моделирует нестабильность частоты кварцевых осцилляторов узлов в зависимости от их температуры. Учитывающее эту нестабильность показание часов в зависит от истинного времени t, номинальной частоты осциллятора <р0, погрешности изготовления осциллятора Аф, температурной составляющей ошибки А:

e{t) = t<p0( 1 + &<р+А), (18)

Л(^Г,Г) = у»^(Г-Т0)2+(Т-Г0)П+|гг^, (19)

где р - коэффициент температурной нестабильности осциллятора, Т0 -нормальная температура, Т - температура осциллятора в начале очередного цикла работы, Т - скорость изменения температуры осциллятора.

Результатом имитационного моделирования является протокол событий 2, зафиксированных в процессе функционирования вир1уальной СМП. Процедура обработки этого протокола определяет количество доставленных в ЦОД сообщений и формирует диагностическую информацию, уточняющую причины, по которым не были доставлены остальные сообщения.

Для нахождения количества доставленных сообщений из множества событий протокола выбираются только те события, которые попадают в активные фазы в соответствии с заданными при обработке параметрами ЬА и Д<. Начало очередной активной фазы определяется моментом времени события ^начало ]-[рИ этом ВЬШОлняется ряд проверок, удостоверяющих, что все события, являющиеся причинами проверяемого, также приходятся на активные фазы.

При формировании диагностической информации выявляются узлы, которые не были синхронизированы, и узлы, сообщения которых не были доставлены в ЦОД. Например, если узел получил сообщение с результатами измерений узла А;, а родитель узла А{ такого сообщения не получал, делается вывод о том, что передача результатов измерений не уложилась в активную фазу, и данные остались на узле А{. Такая диагностическая информация позволяет разработчику целенаправленно изменить топологию сети или параметры алгоритма узлов.

Рассмотрим вычислительную часть модели определения долговечности сети - времени исчерпания заряда ИП узлов.

Расход заряда ц ИП за один период работы узла составляет

1 = {1л + 1пх+1.) *а + (*иг + ¡оп + Са " М ДА* + 7о) ('* ~ *л) , (20)

где 1А - ток, потребляемый микропроцессором в активном режиме, - ток, потребляемый приемником-передатчиком, настроенным на прием, 10 -ток потребления датчиков и прочих компонентов узла, - ток, потребляемый микропроцессором в режиме сбережения энергии, 10РГ - ток, потребляемый выключенным приемником-передатчиком, - частота прерываний по переполнению таймера-счетчика, - время, затрачиваемое процессором на обработку каждого из этих прерываний, - длительность активной фазы.

Срок функционирования tLC узла при наличии ИП с зарядом (2* составляет

(21)

Третья глава посвящена разработке структуры и компонентов инструментального комплекса (ИК), обеспечивающего проектирование и реализацию СМП, функционирующих на основе предложенного метода. Структура ИК представлена на рис. 4. Проектирование СМП обеспечивают следующие компоненты: симулягор, в основе которого лежит имитационная модель; программа обработки результатов симуляции (журнала событий),

реализующая предложенный подход «наложения масок»; вычислительная модель расчета долговечности узлов, а также стенды экспериментального определения характеристик используемых узлов БСС. Реализация СМП осуществляется путем настройки входящей в ИК параметризованной операционной системы Оте§аОЗ, при разработке которой были учтены все особенности предложенного метода функционирования СМП.

Рис. 4. Структура инструментального комплекса проектирования и реализации СМП.

При задании исходных данных для некоторых параметров симулятор предлагает выбрать одну их двух моделей поведения параметра: постоянное значение или функция времени. К таким параметрам относятся геометрия объекта обслуживания, координаты узлов, координаты и мощность помех. Выбрав функцию времени, пользователь может ввести выражение, которое будет вычисляться всякий раз, когда появляется необходимость в значении параметра после изменения аргумента выражения - системного времени. Кроме детерминированной составляющей функция времени может включать и случайную.

Блок симуляции, в соответствии со структурой модели, выполняет моделирование следующих процессов: Сформирование структуры

взаимодействия узлов сети с учетом текущей конфигурации объекта обслуживания, 2) автономная работа узла и 3) погрешность хода часов узлов.

Результатом работы симулятора является протокол событий виртуальной БСС. На этот протокол накладывается маска активных фаз, задаваемая параметрами периодичности f", длительности активной фазы tA и величины интервала опережения г. При этом пользователь указывает только значения tA

и т, так как периодичность измерений t* была задана ранее. Исходя из этого, программа обработки протокола событий определяет показатели работы СМП: надежность Р* и (при помощи вычислительной модели) долговечность tLC. При определении долговечности используется величина заряда ИП Q".

При проектировании и реализации СМП согласно предложенному методу используются характеристики узлов, отсутствующие в спецификациях аппаратуры. К таким характеристикам относятся закон распределения погрешности Ар изготовления осцилляторов и величина задержки оповещения приемника dSTD. Для экспериментального определения этих величин были разработаны соответствующие стенды и методики измерения требуемых величин.

Для реализации СМП, использующей предложенный метод функционирования, была разработана специализированная параметрическая операционная система (ОС) OmegaOS. В качестве параметров ОС OmegaOS выступают выбранные значения длительности активной фазы и величины интервала опережения. Кроме того, разработчик СМП должен создать исходный код функции выполнения измерений. Из экспериментально определенных данных в OmegaOS используется величина задержки оповещения приемника dsrD. Исходные данные используются для настройки OmegaOS на решение конкретной задачи и получения образа памяти узлов СМП. Подготовленный обрзз памяти заносится в память процессоров узлов (см. рис. 4).

В четвертой главе работы рассмотрено практическое применение результатов предшествующих глав диссертации для построения экспериментальной системы мониторинга параметров медицинского состояния космонавтов в пределах Российского сегмента (PC) МКС.

Объектом обслуживания проектируемой системы мониторинга психофизиологического состояния и координат космонавтов является служебный модуль (СМ) «Звезда», включая находящихся в нем космонавтов. СМП должна функционировать непрерывно, не ограничивая двигательную активность космонавтов.

Располагаемые на объекте обслуживания узлы включают (по терминологии проекта):

• шлюз - узел для передачи по проводам на бортовой медицинский компьютер (БМК) данных, полученных от других узлов сети;

• маяки - мобильные узлы, располагаемые на теле космонавтов, выполняющие измерения и трансляцию медицинских данных;

• реперы - неподвижные узлы, размещаемые на внутренних поверхностях РС МКС и используемые при позиционировании маяков и ретрансляции результатов измерений шлюзу. Их количество и расположение определяется при проектировании системы мониторинга и обеспечивает её связность.

В результате имитационного моделирования были получены данные о надежности данной СМП в зависимости от величины активной фазы и интервала опережения. Графики приведены на рис. 5. Выбранным величинам активной фазы 0,27 си интервала опережения 0,024 с при заданных значениях периодичности измерений 20 с и ёмкости ИП 450 мАч соответствует долговечность 39,05 суток.

В этих условиях использование БСС как базы построения системы мониторинга состояния космонавтов определено перспективным и начата подготовка к проведению космического эксперимента (КЭ) «Непрерывный мониторинг психофизиологического состояния и координат космонавтов с использованием беспроводной сенсорной сети» (шифр - «Биосеть») на борту российского сегмента МКС (РС МКС). При проведении КЭ предполагается использовать результаты представленной диссертационной работы.

*-№>-- -

10.03

О.ОШ 0ДС1 0.Ш1 0Д1 С,1 1

—•—С.01

—»-o.ee

— М

Длимая ф«4. с

-•-одам

0.0П1 -»—0,01 —г-ОЛ ■

0ДО! 0Д01

Инт*р1<к ммршмим, с

Акт ноя фам.«

Рис 5. Зависимость долговечности и надежности от величины интервала опережения и активной фазы.

-Ф~о,ешо1 -•-0,0001

-««-001 —»—0,1

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнено исследование систем мониторинга параметров объектов изменяемой конфигурации на базе дискретных беспроводных сенсорных сетей.

2. Предложен метод функционирования систем мониторинга параметров с названными специфическими особенностями, содержащий в своей основе решение следующих трех взаимосвязанных задач: организация адаптивного взаимодействия узлов системы, учет задержек передачи сообщений, учет погрешности осцилляторов узлов.

3. Для организации адаптивного взаимодействия узлов предложен способ самоорганизации сети с использованием постоянных уникальных адресов. Сравнительный анализ, выполненный на основе разработанного симулятора, показал, что использование предложенного способа позволяет повысить надежность систем мониторинга параметров до 10 раз (для объектов обслуживания с интенсивно изменяемой конфигурацией).

4. Для повышения точности синхронизации узлов СМП предложено выполнять измерения и учитывать фактические задержки передачи сообщений. Также предложен механизм учета погрешности осцилляторов узлов. Сравнительный анализ, выполненный на основе разработанного симулятора, показал, что синхронизация узлов на базе предложенного метода позволяет увеличить их долговечность на 30-40%.

5. Процесс функционирования СМП согласно предложенному методу формализован в виде модели, связывающей топологические и функциональные параметры системы с показателями надежности и долговечности.

6. В обеспечение проектирования и реализации систем мониторинга параметров разработан инструментальный комплекс. Для решения задачи проектирования реализованы симулятор, блок обработки результатов симуляции и вычислительная модель.

7. Разработана специализированная операционная система, обеспечивающая быструю реализацию СМП, использующих предложенный метод.

8. Предложенный метод функционирования системы мониторинга параметров апробирован при решении задачи построения экспериментальной системы мониторинга параметров медицинского состояния космонавтов на Международной космической станции (МКС). По результатам апробации была подана заявка на проведение космического эксперимента на российском сегменте МКС, которая одобрена и включена в программу космических экспериментов с шифром «Биосеть».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Терентьев М.Н. Модель беспроводной сенсорной сети с режимом сбережения энергии и синхронизацией шкал времени / Вестник Московского авиационного института.- Москва: МАИ, 2009. - Т. 16. - № 4. - с. 79-84.

2. Терентьев М.Н. Имитационная модель беспроводной сенсорной сети с режимом сбережения энергии и синхронизацией шкал времени / Вестник Московского авиационного института.- Москва: МАИ, 2010. - Т. 17. - № 3. -с. 178-183.

иные публикации

3. Терентьев М.Н. Беспроводные сенсорные сети с режимом сбережения энергии // Материалы межд. науч.-практ. конф. «Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании ИНФОТЕХ-2009» - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2009. - с. 311-312.

4. Терентьев М.Н. Метод синхронизации узлов беспроводных сенсорных сетей с режимом сбережения энергии // Труды третьей международной конференции «Системный анализ и информационные технологии САИТ-2009»: М., 2009.-с. 53.

5. Терентьев М.Н. Синхронизация узлов беспроводных сенсорных сетей с режимом сбережения энергии. // 8-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009». Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009, с. 207.

6. Терентьев М.Н. Двухуровневая структура модели беспроводной сенсорной сети с режимом сбережения энергии и синхронизацией шкал времени. // Четвертая всероссийская научно-практическая конференция «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии»: Сб. материалов, г. Оренбург 2009 г. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - с. 448454.

7. Терентьев М.Н. Метод самоорганизации дискретной беспроводной сенсорной сета при обслуживании объекта изменяемой конфигурации // Proceedings of Distributed Computer and Communication Networks. ТЪеогу and Applications (DCCN-2010). Moscow: R&D Company «Information and Networking Technologies», 2010. - pp. 117-119.

8. Терентьев М.Н. Беспроводные сенсорные сети: Учебное пособие - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008. - 96 с.

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 эю. г. Москва, ул. Енисейска», д.36 тел.: 8-499-185-7954,8-906-787-7086

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА

ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА ОБСЛУЖИВАНИЯ ИЗМЕНЯЕМОЙ КОНФИГУРАЦИИ НА

БАЗЕ ДИСКРЕТНЫХ БСС.

1.1. Особенности БСС как базы создания системы мониторш 1га параметров объекта обслуживания.

1.2. Проблемы создания систем мониторинга парамет ров объектов обслуживания с изменяемой конфигурацией на базе дискретных БСС.

1.3. Анализ известных подходов к решению проблем организации взаимодействия и синхронизации узлов БСС.

1.4. Основные положения метода функционирования СМП объектов с изменяемой конфигурацией на базе БСС, синхронизируемых с учетом фактических задержек передачи эталонного времени.

1.4.1. Организация взаимодействия узлов СМП объектов обслуживания с учетом изменения их конфигурации.

1.4.2. Синхронизация часов узлов с учетом фактических задержек отправки сообщений с эталонным временем.

1.4.3. Учет нестабильности осциллятора во время фазы сна.

1.4.4. Общая схема функционирования СМП изменяемой конфигурации на основе метода синхронизации шкал времени узлов по абсолютным задержкам передачи сигналов эталонного времени.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ СМП ОБЪЕКТОВ ОБСЛУЖИВАНИЯ ИЗМЕНЯЕМОЙ КОНФИГУРАЦИИ НА БАЗЕ ДИСКРЕТНЫХ БСС, СИНХРОНИЗИРУЕМЫХ С УЧЕТОМ ФАКТИЧЕСКИХ ЗАДЕРЖЕК.

2.1. Постановка задачи моделирования.

2.2. Моделирование формирования дерева ретрансляции сообщений по радиоканалу.

2.3. Моделирование автономной работы узла.

2.4. Модель учета погрешности хода часов узлов.

2.5. Обработка результатов имитационного моделирования.

2.6. Вычислительная модель расчета долговечности узлов.

ГЛАВА 3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ СМП НА БАЗЕ ДИСКРЕТНЫХ БСС.

3.1. Состав и структура инструментального комплекса.

3.2. симулятор.

3.2.1. Блок задания исходных данных.

3.2.2. Выполнение симуляции.

3.2.3. Результаты симуляции.

3.2.4. Программа обработки результатов симуляции.

3.2.5. Тестирование симулятора.

3.2.6. Имитационное моделирование БСС, использующих другие методы функционирования.

3.3. Экспериментальное определение характеристик аппаратуры узлов БСС.

3.3.1. Экспериментальное определение задержки оповещения приемника.

3.3.2. Экспериментальное определение закона распределения погрешности частоты кварцевых осцилляторов.

3.4. Специализированная операционная система OmegaOS.

3.4.1. Состав и основные положения OmegaOS.

3.4.2. Подсистемы операционной системы OmegaOS.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ МЕДИЦИНСКОГО СОСТОЯНИЯ КОСМОНАВТОВ НА МКС.

4.1. Постановка задачи и исходные данные.

4.2. Экспериментальное определение характеристик аппаратуры.

4.3. Моделирование системы мониторинга и полученные результаты.

Задача обеспечения измерений параметров в различных точках объектов наблюдения/управления (далее - объектов обслуживания) с последующей передачей результатов измерений в центр сбора, хранения и обработки данных (ЦОД) является типовой при создании таких объектов и имеет глубокие исторические корни. Средства и методы решения данной задачи, называемой далее задачей мониторинга параметров объекта обслуживания, на протяжении всей истории её решения постоянно совершенствуются. Рубежным при создании систем мониторинга параметров (СМП) можно считать переход на использование цифровых технологий. В развитие этих технологий с конца 1990-х годов активно развивается направление, связанное с созданием СМП на базе беспроводных сенсорных сетей (БСС).

Основной особенностью БСС является использование радиоканала для передачи в ЦОД результатов измерений из различных точек объекта обслуживания. СМП при этом представляют собой множество связанных радиоканалами и работающих по единому алгоритму узлов, устанавливаемых в заданных точках измерений. В состав этих узлов, помимо датчиков, входят микропроцессор, приемник-передатчик и обеспечивающий их энергией автономный источник питания. Беспроводной характер связи, а именно, отсутствие проводов, связывающих датчики с ЦОД, открывает принципиально новые возможности создания СМП. Это особенно существенно для случаев, когда датчики должны быть установлены на подвижных элементах объекта обслуживания или, как будем говорить далее, если объект обслуживания может изменять конфигурацию во время работы.

Известно, что использование БСС при построении СМП, наряду с преимуществами, порождает, как минимум, две актуальные на сегодняшний день проблемы. Первая из них связана с возможностью потери части результатов измерений при их передаче в ЦОД из-за разрывов связей по радиоканалу между узлами и ЦОД вследствие изменения конфигурации объекта обслуживания, в первую очередь, изменения положения его частей, содержащих узлы и источники помех. Данная проблема может быть сформулирована как необходимость повышения относительной доли успешно дошедших до ЦОД результатов измерений, которую далее будем определять как надежность СМП. Вторая проблема связана с необходимостью экономного расхода энергии автономных источников питания узлов во избежание их частой смены или, как будем говорить далее, с целью повышения долговечности узлов. Данная проблема, как правило, решается за счет перевода работы узлов на дискретный режим, в котором активные фазы чередуются с фазами сна, когда узлы работают с пониженным энергопотреблением. Это, в свою очередь, чревато потерей данных при чрезмерном сжатии активных фаз в интересах экономии энергии, а также порождает дополнительную проблему - проблему синхронизации шкал времени внутренних часов узлов сети.

Успешное решение названных проблем позволит расширить использование значительных потенциальных возможностей БСС при построении СМП объектов обслуживания с изменяемой конфигурацией. На решение этих проблем направлена представленная диссертационная работа, что свидетельствует о её актуальности.

Целью работы является сокращение потерь данных в СМП, создаваемых на базе дискретных БСС, при передаче результатов измерений в ЦОД по радиоканалу из различных точек объекта обслуживания с изменяемой конфигурацией и повышение долговечности узлов, работающих в дискретном режиме.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней для достижения поставленной цели предложен метод функционирования СМП, базирующийся на следующих новых положениях:

1) структура взаимодействия узлов сети формируется для каждого сеанса измерений адаптивно к текущей конфигурации объекта обслуживания на основе постоянных уникальных адресов узлов;

2) синхронизация шкал времени внутренних часов узлов выполняется с учетом фактических задержек передачи сообщений с эталонным временем;

3) производятся оценка отклонения скорости хода часов от эталона и применение этой оценки для повышения точности момента пробуждения узла.

Результаты работы, выносимые на защиту

1) Метод функционирования СМП объектов с изменяемой конфигурацией на базе дискретной БСС, обеспечивающий адаптивное формирование структуры взаимодействия узлов сети и их синхронизацию с учетом фактических задержек передачи эталонного времени и нестабильности характеристик осцилляторов узлов в период сна.

2) Модель функционирования СМП на базе предложенного, метода, состоящая из имитационного блока (моделирование формирования структуры взаимодействия узлов, автономной работы узлов, нестабильности характеристик их осцилляторов), правил обработки результатов имитационного моделирования и вычислительного блока (расчет долговечности узлов).

3) Инструментальный комплекс, обеспечивающий проектирование (анализ и выбор рациональных параметров СМП на основе разработанной модели) и реализацию (на основе разработанной специализированной операционной системы) СМП, функционирующей согласно предложенному методу.

4) Результаты практической апробации предложенного метода и разработанных в его обеспечение модели и инструментального комплекса при решении задачи построения экспериментальной системы мониторинга параметров психофизиологического состояния космонавтов на борту Международной космической станции (МКС).

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 65 наименований.

Первая глава посвящена анализу особенностей и проблем создания систем мониторинга параметров объекта обслуживания изменяемой конфигурации на базе дискретных БСС. При этом выделены три задачи, решаемые далее в представленной работе. Первая из этих задач следует из непостоянства конфигурации объекта обслуживания в процессе функционирования системы мониторинга. При её решении требуется обеспечить гибкое (адаптивное к текущей конфигурации объекта обслуживания) формирование структуры взаимодействия узлов СМП в зависимости от текущих условий их обмена радиосигналами. Для решения данной задачи предложен новый подход к организации взаимодействия узлов, основанный на их самоорганизации с использованием постоянных уникальных адресов.

Следующие две задачи вытекают из дискретного характера функционирования системы мониторинга и направлены на повышение долговечности её узлов за счет более эффективной синхронизации их шкал времени. Одна из этих задач связана с учетом задержек при посылке сообщений с эталонным временем из-за конкурентного доступа к каналу. Для её решения предложено учитывать фактические задержки передачи эталонных отметок времени, в отличие от известных методов, учитывающих эту задержку в том или ином, но осредненном виде. Другая из названных задач направлена на повышение эффективности синхронизации узлов за счет учета характеристик нестабильности осцилляторов узлов в период сна.

Решения трех названных задач, согласно представленным подходам к их решению, находятся в тесной взаимосвязи. В работе они объединены в единый, метод функционирования СМП объектов с изменяемой конфигурацией. В рассматриваемой главе приведены основные положения данного метода и общая схема функционирования СМП на его основе.

Вторая глава работы посвящена построению модели функционирования СМП согласно предложенному методу. Структура разработанной модели включает имитационный и вычислительный блоки.

В имитационном блоке моделируются: 1) формирование структуры взаимодействия узлов сети с учетом текущей конфигурации объекта обслуживания, включая расположение и мощность источников помех; 2) автономная работа узлов; 3) десинхронизирующий работу узлов фактор -погрешность хода часов.

Результаты имитационного моделирования отображаются в журнале событий виртуальной БСС за весь период моделирования. Для обработки этих результатов предложен способ, основанный на «наложении масок» на множество событий, зафиксированных в журнале. Данный способ позволяет получить для заданных значений параметров дискретного режима значения показателя надежности функционирования БСС, а также диагностику мест и причин потери информации при передаче результатов измерений шлюзу.

В вычислительном блоке модели представлена система отношений, обеспечивающих расчет долговечности узлов системы по значениям параметров алгоритма дискретного режима.

Третья глава посвящена разработке структуры и компонентов инструментального комплекса (ИК), обеспечивающего проектирование и реализацию СМП, функционирующих на основе предложенного метода.

Проектирование СМП обеспечивают входящие в этот ИК следующие компоненты, при разработке которых использованы результаты главы 2: симулятор, в основе которого лежит имитационная модель; программа обработки результатов симуляции (журнала событий), реализующая предложенный подход «наложения масок»; вычислительная модель расчета долговечности узлов, а также стенды экспериментального определения характеристик используемых узлов БСС.

Для задания исходных для моделирования данных в состав ИК включен блок задания исходных данных, обеспечивающий возможность задания топологических и функциональных характеристик объекта обслуживания1 и непосредственно СМП. Предусмотрена возможность задания исходных данных в числовом и функциональном виде, их изменения, а также учета их возможного случайного характера. Тем самым обеспечивается возможность анализа множества вариантов СМП при различных условиях их функционирования и, как результат, выбор рационального варианта проекта системы.

Реализация СМП осуществляется путем настройки входящей в ИК параметризованной операционной системы Огг^аОБ, при разработке которой были учтены все особенности предложенного метода функционирования систем мониторинга параметров.

В четвертой главе работы рассмотрено практическое применение результатов предшествующих глав диссертации для построения экспериментальной системы мониторинга параметров медицинского состояния космонавтов на МКС. Предусматривается, что узлы с датчиками закрепляются на костюмах космонавтов, свободно перемещающихся по МКС, а результаты измерений передаются на бортовой медицинский компьютер по радиоканалу. Контролируемыми параметрами являются шесть отведений электрокардиограммы, плетизмограмма, пневмограмма, температура тела и кожно-гальваническая реакция.

1 Исходные данные, задающие геометрию объекта обслуживания, импортируются из внешней системы геометрического моделирования - Solid Edge.

Заключение

1. В работе выполнено исследование систем мониторинга параметров на базе беспроводных сенсорных сетей со следующими специфическими особенностями: изменяемость конфигурации объекта обслуживания и дискретный характер выполнения измерений.

Показано, что при этом невозможно обеспечить удовлетворительные показатели надежности и долговечности системы мониторинга без гибкой (адаптивной к текущей конфигурации объекта обслуживания) организации взаимодействия её узлов и повышения точности их синхронизации.

2. В работе предложен метод функционирования систем мониторинга параметров с названными специфическими особенностями, содержащий в своей основе решение следующих трех взаимосвязанных задач: организация адаптивного взаимодействия узлов системы, учет задержек передачи сообщений, учет погрешности осцилляторов узлов.

3. Для организации адаптивного взаимодействия узлов системы предложен способ самоорганизации сети с использованием постоянных уникальных адресов, в отличие от традиционно используемых логических адресов. Сравнительный анализ, выполненный на основе разработанного симулятора, показал, что использование предложенного способа адаптивного взаимодействия узлов позволяет повысить надежность систем мониторинга параметров до 10 раз (для объектов обслуживания с интенсивно изменяемой конфигурацией).

4. Для повышения точности синхронизации узлов систем мониторинга параметров предлагается измерять и учитывать фактические задержки передачи сообщений в отличие от традиционно используемых средних значений этих задержек. Разработан механизм учета погрешности осцилляторов узлов, отсутствующий в традиционно используемых методах синхронизации дискретных систем. Сравнительный анализ, выполненный на основе разработанного симулятора, показал, что синхронизация узлов на базе предложенного метода позволяет увеличить их долговечность на 2030%.

5. Процесс функционирования систем мониторинга параметров согласно предложенному методу формализован в виде модели, позволяющей связать топологические и функциональные параметры системы с показателями ее надежности и долговечности.

Разработанная модель включает имитационный блок, блок обработки результатов имитации и вычислительную модель.

Особенностью разработанной имитационной модели является моделирование системы в непрерывном режиме (но при выполнении измерений дискретно), с последующей обработкой результатов по специально разработанной процедуре «наложения масок». Такой подход обеспечивает возможность анализа и выбора различных вариантов характеристик системы мониторинга на основе результатов однократной имитации.

6. В обеспечение проектирования и реализации систем мониторинга параметров разработан инструментальный комплекс. В нем для решения задачи проектирования (выбора топологических и функциональных параметров СМП) реализованы симулятор, блок обработки результатов симуляции и вычислительная модель. а. Симулятор реализует предложенную имитационную модель и обеспечивает моделирование процесса адаптивной организации взаимодействия узлов сети, автономной работы узлов и учет погрешностей их осцилляторов. Результатом работы симулятора является протокол событий виртуальной системы мониторинга параметров. б. Блок обработки реализует предложенный способ «наложения масок» на множество событий из протокола моделирования системы за весь период ее работы. Результатами обработки являются надежность системы мониторинга и диагностическая информация, позволяющая оценить заданную топологию и выработать рекомендации по ее целенаправленной коррекции, в. Вычислительная модель определяет долговечность узлов на основе их характеристик и параметров алгоритма их функционирования, выбранных по результатам обработки имитационной модели. Блок задания исходных данных предусматривает возможность задания параметров системы мониторинга и объекта обслуживания в числовом и функциональном виде, а также учитывать их случайный характер.

7. Разработанная специализированная операционная система Оп^аОЗ обеспечивает быструю реализацию систем мониторинга, функционирующих на основе предложенного метода, путем занесения в память узлов программного кода 0ше§а08 совместно со значениями параметров, выбранных в результате проектирования.

8. Предложенный метод функционирования системы мониторинга параметров апробирован при решении задачи построения экспериментальной системы мониторинга параметров медицинского состояния космонавтов на Международной космической станции (МКС). По результатам апробации была подана заявка на проведение космического эксперимента на российском сегменте МКС, которая одобрена и включена в программу космических экспериментов с шифром «Биосеть».

1. Kahn, J.M. Next century challenges: mobile networking for Smart Dust / J.M. Kahn, R.H. Katz, K.S.J. Pister // Proceedings of the fifth annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking. — 1999, pp. 271-278.

2. Culler, D. Overview of Sensor Networks / D. Culler, D. Estrin, M. Srivastava — University of California, Berkeley, 2004.

3. Callaway, E. H. Jr. Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols. / E. H. Jr. Callaway, E. H. Callaway — Auerbach Publications, 2003, 360 pp.

4. Römer, К. Time Synchronization and Calibration in Wireless Sensor Networks / K. Römer, P. Blum, L. Meier. // Handbook of Sensor Networks: Algorithms and Architectures. Edited by I. Stojmenovic. — John Wiley & Sons, 2005.

5. Вишневский, B.M. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / B.M. Вишневский, А.И. Ляхов, C.JI. Портной, И.В. Шахнович. — М.: Техносфера, 2005. 592 с.

6. Шварц, M. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование / Шварц М. — пер. с англ. —М.: Радио и связь, 1981, 336 с.

7. Asada, G. Wireless Integrated Network Sensors: Low Power Systems on a Chip / G. Asada, M. Dong, T.S. Lin, F. Newberg, G. Pottie, W.J. Kaiser, H.O. Marcy // Proceedings of the European Solid State Circuits Conference. — 1998.

8. Atmel 8-bit Microcontroller with 64К/128КУ256К Bytes In-System Programmable Flash. Электронный ресурс. / сайт Atmel. — Режим доступа: http://atmel.com/dyn/resources/proddocuments/doc2467.pdf

9. СС2420. 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee-ready RF Transceiver. Электронный ресурс. / сайт Texas Instruments. — Режим доступа: http://www.ti.com/lit/gpn/cc2420

10. Datasheet SHTlx (SHT10, SHT11, SHT15). Humidity and Temperature Sensor. Электронный ресурс. / сайт Sensirion. — Режим доступа: http://www.sensirion.com/en/pdf/product information/Datasheet-humidity-sensor-SHTlx.pdf

11. Ye, W. An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks. / W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin // Proceedings of the IEEE Infocom. — New York, 2002.

12. Альтшуллер, Г.Б. Кварцевые генераторы: Справ, пособие. / Г.Б. Альтшуллер, Н.Н. Елфимов, В.Г. Шакулин — М.: Радио и связь, 1984. -232 с.15. eZeeNet Software Product Datasheet. Электронный ресурс. — электр. опт. диск — М.: Meshnetics, 2007.

13. Баскаков, С.С. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic / С.С. Баскаков, В.И. Оганов // Электронные компоненты — 2006, №8.

14. ZigBee Alliance. Электронный ресурс. / сайт ZigBee Alliance. — Режим доступа: http://www.zigbee.org

15. Dai, Н. Tsync: A lightweight bidirectional time synchronization service for wireless sensor networks. / H. Dai, R. Han. Tsync // ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review — 2004, N. 1.

16. Elson, J. Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts / J. Elson, L. Girod, D. Estrin // Proceedings of the Fifth

17. Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 2002). — Boston, 2002.

18. Estrin, D. Next Century Challenges: Scalable Coordination in Sensor Networks / D. Estrin, R. Govindan, J. Heidemann, S. Kumar // Proceedings of the fifth annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking — 1999, pp. 263-270.

19. Elson, J. Wireless Sensor Networks: A New Regime for Time Synchronization / J. Elson, K. Römer // Proceedings of the First Workshop on Hot Topics in Networks (HotNetsI), —Princeton, 2002.

20. Ganeriwal, S. Network-wide time synchronization in sensor networks / S. Ganeriwal, R. Kumar, S. Adlakha, M. Srivastava — Technical report // Networked and Embedded Systems Lab, Elec. Eng. Dept. — UCLA, 2002.

21. Heinzelman, W. Energy-Efficient Communication Protocols for Wireless Microsensor Networks / W. Heinzelman, A. Chandrakasan, H. Balakrishnan. // Proceedings of the Hawaii International Conference on Systems Sciences — Hawaii, 2000.

22. Hamilton, B. R. ACES: Adaptive Clock Estimation and Synchronization Using Kaiman Filtering / B. R. Hamilton, X. Ma, Q. Z., J. Xu // Proceedings of MobiCom-2008 — San Francisco, 2008.

23. Li, Q. Global clock synchronization in sensor networks / Q. Li D. Rus // Proceedings of IEEE InfoCom — 2004.

24. Meier, L. Internal synchronization of drift-constraint clocks in ad-hoc sensor networks / L. Meier, P. Blum, L. Thiele // Proceedings of Fifth ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing — Tokyo, 2004, pp. 90-97.

25. Römer, K. Time Synchronization in Ad Hoc Networks / K. Römer // Proceedings of ACM Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing — Long Beach, 2001.

26. Su, W. Time-diffusion synchronization protocol for sensor networks. / W. Su, I. F. Akyildiz // IEEE/ACM Transactions on Networking — 2004.

27. Sohrabi, K. Protocols for self-organization of a wireless sensor network. / K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi, G. Pottie // IEEE Personal Communications — 2000, N.10, pp. 16-27.

28. Sichitiu, M. L. Simple, accurate time synchronization for wireless sensor networks. / M. L. Sichitiu C. Veerarittiphan // In Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC'03) — 2003.

29. Maroti, M. The flooding time synchronization protocol / M. Maroti, B. Kusy, G. Simon, A. Ledeczi — Technical Report ISIS-04-501. — Institute for Software Integrated Systems, Vanderbilt University. — Nashville, 2004.

30. Ganeriwal, S. Timing-sync protocol for sensor networks / S. Ganeriwal, R. Kumar, M. B. Srivastava // In Proceedings First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys) — 2003.

31. Goldsmith, A. Wireless Communications / A. Goldsmith. — Cambridge University Press, 2005.

32. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр. — пер. с англ. — М: Издательский дом «Вильяме», 2003. — 1104 с.

33. SMD Crystal Oscillators DS0221SR/DS0321SR/DS0531SR/DS0751SR. Электронный ресурс. / сайт Datasheet Directory. — Режим доступа: http://www.datasheetdir.com/DSQ221 SR+download

34. RXDWC31 32.768 kHz SMD tuning fork crystal. Электронный ресурс. / сайт RXD Technologies, L.L.C. — Режим доступа: http://rxdtech.com/pdf/rxd32k.pdf

35. ГОСТ 22866-77. Генераторы кварцевые. Термины и определения.

36. Багдасарян, А. Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи / А. Багдасарян // ChipNews — 2002, №8.

37. Белов, JI. Кварцевые генераторы и фильтры компании Vectron International / JI. Белов // Электроника:НТБ — 2007. — №2. — с. 46-54.

38. Таха, X. Введение в исследование операций / X. Таха. — пер. с англ. — М: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 912 с.

39. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука / Р. Шеннон — М: Мир, 1978. — 420 с.

40. Miller, J. Н. Complex Adaptive Systems: An Introduction to Computational Models of Social Life / J. H. Miller — Princeton University Press, 2007. — 263 p.

41. Непейвода, H.H. Стили и методы программирования. Курс лекций / Н.Н. Непейвода — учебное пособие — М.: Интернет-университет информационных технологий, 2005. — 316 с.

42. Страуструп, Б. Язык программирования С++. Специальное издание / Б. Страуструп — М.: Бином-Пресс, 2007. — 1104 с.

43. Multimedia resources. Электронный ресурс. / сайт NASA. — Режим доступа: http://www.nasa.gov/multimedia/3dresources/assets/issc2.html

44. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей и её инженерные приложения / Е.С. Вентцель — М.: «Высшая школа», 2000. — 480 с.

45. TinyOS Community forum. Электронный ресурс. / сайт TinyOS. — Режим доступа: http://www.tinvos.net

46. Han, С. A Dynamic Operating System for Sensor Nodes / C. Han, R. Kumar, R. Shea, E. Kohler, M. Srivastava — University of California, 2004.

47. Таннебаум Э. Современные операционные системы / Э. Таннебаум. — Спб.: Питер, 2002. — 1040 с.

48. Стандарт ISO/IEC 7498-1:1994, Information technology—Open systems interconnection—Basic reference model: The basic model.

49. ZigBee Specification. Электронный ресурс. / сайт ZigBee Alliance. — Режим доступа: http://www.zigbee.org

50. Газенко, О.Г. От 108 минут до 438 суток и далее. / О.Г. Газенко, А.И. Григорьев, А.Д. Егоров // Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2001, Т. 35, № 2. — с.5-13.i

51. Туровский, H.H. Медицинский контроль за состоянием космонавтов в полете / H.H. Туровский, А.Д. Егоров, О.Г. Ицеховский, И.И. Попов // Космическая биология и медицина. -—М.: Наука, 1987. — С. 242—254.

52. Строгонова, Л.Б. Пилотируемая экспедиция к Марсу: концепция и проблемы / Л.Б. Строгонова, Л.А. Горшков // Acta Astronáutica — 1991, V. 23, p. 279-289.

53. Дюк, В.А. Компьютерная психодиагностика / В.А. Дюк — СПб: «Братство», 1994. — 364 с.

54. Леонов, А. А. Психологические проблемы межпланетного полета / А. А. Леонов, В. И. Лебедев — М., 1975.

55. Handbook of Medical Informatics / Editors J. H. van Bemmel, M. A. Musen — Springer-Verlag, Heidelberg, 1997.

56. Электрокардиография высокого разрешения / Под ред. Г.Г. Иванова, С.В. Грачева, А.Л. Сыркина — М.: Триада-Х, 2003. — 304 с.

57. Low-Power, 8-Channel, 24-В1Г" Analog Front-End for Biopotential Measurements. Электронный ресурс. / сайт Texas Instruments. — Режим доступа: http://www.ti.com/lit/gpn/ads 1298

58. Журин, С. Опрос с использованием полиграфа: от чего зависит качество проверки? / С. Журин // Мир и безопасность — 2003, № 5.

59. AVR®32 32-Bit Microcontroller. Электронный ресурс. / сайт Atmel. — Режим доступа: http://www.atmel.com/dyn/resources/proddocuments/doc32058.pdf

60. СС1000. Single Chip Very Low Power RF Transceiver. Электронный ресурс. / сайт Texas Instruments. -— Режим доступа: http://www.ti.com/lit/gpn/cc 1 ООО

61. Модуль sbnl28. Электронный ресурс. —- электр. опт. диск — М.: Meshnetics, 2006.