Обзор беспроводных технологий передачи данных

Развитие стандартов и систем передачи данных идет по двум основным направлениям:

  • - увеличение пропускной способности каналов связи;
  • - радиус (дальность) действия СПД.

Существуют следующие способы беспроводной передачи информации между мобильными устройствами:

  • - по инфракрасному каналу (Протокол IrDA (Infrared Data Assotiation));
  • - по радиоканалу (Протоколы: Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, ZigBee, Wireless USB, GPRS, EDGE, WCDMA),
  • - соединение с помощью микроволнового канала (радиорелейная и спутниковая передача данных).

В настоящее время передача по инфракрасному каналу практически прекратила использоваться вследствие недостаточной степень мобильности и проблем преодоления препятствий; радиорелейные и спутниковые системы служат для организации магистральных каналов связи, поэтому для создания систем управления и информационной поддержки небольших предприятий с распределенной инфраструктурой имеет смысл использовать технологии беспроводной радиосвязи.

С точки зрения радиуса (дальности) действия, все беспроводные сети передачи данных делятся на:

  • 1. беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area Network, WPAN), которые работают с протоколами Bluetooth, WirelessUSB, ZigBee;
  • 2. беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN), используют Wi-Fi;
  • 3. беспроводные сети масштаба города (Wireless Metropolitan Area Network, Wireless MAN), или сети широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access, BWA), в настоящее время работают на WiMAX;
  • 4. беспроводные глобальные сети (Wireless Wide Area Network, WWAN), это сети беспроводной передачи данных на базе радиорелейных, сотовых и спутниковых технологий.

Соотношение между радиусом действия и скоростью передачи данных для разных протоколов представлено на рисунке 14 [49].

Сравнительные характеристики (скорость передачи/дальность) для различных протоколов беспроводной передачи данных

Рис. 14. Сравнительные характеристики (скорость передачи/дальность) для различных протоколов беспроводной передачи данных

В то же время можно выделить следующие основные разновидности беспроводных сетей связи, используемых для обслуживания мобильных абонентов:

  • - персональные сети;
  • - временно создаваемые сети произвольной структуры;
  • - локальные сети беспроводного доступа;
  • - беспроводные наземные радиорелейные магистрали;
  • - сотовые сети;
  • - глобальные спутниковые сети;
  • - гибридные гетерогенные сети разной конфигурации.

Беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area

Network, WPAN) имеют малый радиус действия (до 10-15 м), обычно реализуют связи внутри помещений, а также взаимодействие компонентов аппаратных устройств.

Самой первой технологией передачи данных в пределах персональной зоны является IrDA — технология передачи данных в инфракрасном диапазоне, стандарт IrDA был разработан еще в 1993 году. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии в режиме точка-точка. Стандарт не предусматривает создание локальной сети на основе ИК-излучения, поскольку сетевые интерфейсы сложны и требуют большой мощности, а здесь целью являлось низкое потребление и экономичность. Интерфейс использует узкий ИК-диапазон с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру. К основным недостаткам беспроводного обмена информацией по инфракрасным каналам относятся недостаточная степень мобильности и проблема препятствий [50].

Более современной реализацией WPAN является протокол Bluetooth. Для установления беспроводного соединения по протоколу Bluetooth прямая видимость между устройствами не требуется, в отличие от инфракрасной связи.

Технология Bluetooth (стандарт IEEE 802.15) позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10-100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости.

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

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рисунок 15) [51].

Пикосеть с подчиненными устройствами

Рис. 15. Пикосеть с подчиненными устройствами: а) с одним подчиненным устройством; б) с несколькими; в) распределенная сеть

Технология Bluetooth предназначена для устранения кабельных соединений между компьютерами, периферийными устройствами и другими электронными устройствами. Также технология позволяет устройствам связываться, как только они появляются в зоне действия друг друга, причем устройства не требуют настройки, — они всегда включены и работают в фоновом режиме. В отличие от IrDA, устройства Bluetooth могут работать сквозь препятствия, не требуя прямой видимости. Недостатком технологии является узкая полоса пропускания радиоканалов, что не позволяет обеспечить большую скорость передачи данных.

ZigBee — WPAN технология, работающая на стандарте IEEE 802.15.4. Данная технология была разработана с целью обеспечения более дешевого и менее энергоемкого решения по сравнению с другими WPAN-технологиями, в частности с Bluetooth. Протокол ZigBee предназначен для использования в системах сбора данных и управления. Он обладает малым энергопотреблением, надежностью передачи данных и защиты информации.

ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд. Так как

ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.

За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с.

Особенность ZigBee заключается в том, что она предназначена для реализации не только простых соединений "точка-точка" и "звезда", но и сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть", способных поддерживать ретрансляцию и поиск эффективного маршрута передачи данных. Сети ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися.

Преимуществами технологии является то, что хотя ZigBee- оборудование не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, оно может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, если они находятся в зоне видимости. Что касается энергопотребления, то, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee- оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет.

Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки.

Низкая пропускная способность и маленький радиус действия не позволяют применять сети ZigBee для трансляции мультимедийной информации или для связи между собой удаленных объектов.

Стандарт ШЕЕ 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network — WLAN). Стандарт IEEE 802.11 имеет ряд спецификаций с буквенными индексами a, b, с, d, е, g, h, i, j, k, 1, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Термин WiFi был введен организацией Wi-Fi Alliance для обозначения продуктов серии стандарта 802.11b, однако сегодня он применяется к любому стандарту из семейства 802.11. Для передачи данных стандарты 802.11 используют безлицензионные частотные диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц. Связь обеспечивается в радиусе 100-300 метров от стандартной точки доступа на открытой местности. На сегодняшний день основными стандартами являются 802.11а, 802.11b и 802.1 lg и недавно сертифицированный 802.1 In. Стандарт 802.1 In разработан для беспроводных сетей со скоростью передачи данных до 600 Мбит/с.

К преимуществам 802.1 In можно отнести:

  • - повышение пропускной способности беспроводных сетей WiFi до десяти раз, особенно в диапазоне 5 ГГц;
  • - повышение нагрузочной способности;
  • - расширение зоны уверенного приема за счет более эффективной антенной системы;
  • - возможность поэтапной модернизации существующих беспроводных сетей до уровня 802.1 In с одновременной работой устройств 802.11 a/b/g/n на переходном этапе.

Недостатки 802.1 In:

  • - исключительно широкополосный сигнал потенциально может создать помехи работе других беспроводных устройств - особенно в перегруженном диапазоне 2,4 ГГц;
  • - усложнение антенных систем приводит к увеличению габаритов устройств;
  • - увеличение числа передатчиков приведет к уменьшению времени работы от батарей портативных устройств;
  • - существенное увеличение производительности беспроводных сетей доступно только в диапазоне 5 ГГц.

Во всех стандартах 802.11 предусмотрено три вида организации беспроводных сетей (рисунок 16) [52]:

  • - режим Peer-to-Peer ("точка-точка") или режим IBSS (Independent Basic Service Set);
  • - режим Access Point (точка доступа) или режим BSS (Basic Service Set);
  • - режим ESS (Extended Service Set), объединяет сети BSS.

Развитие протоколов Wi-Fi идет по нескольким направлениям. В

ближайшее время не только будет увеличена пропускная способность (стандарт 802.1 In), но и усовершенствованы протоколы, определяющие механизмы реализации качества (Quality of Service, QoS), повышенную безопасность и т.п.

Городские радиосети до недавнего времени стандарта не имели, и каждый производитель предлагал свою технологию передачи данных. В настоящее время, основанная на стандарте IEEE 802.16-2004 технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), начинает играть ключевую роль в создании сетей Wireless MAN. На базе WiMAX возможна реализация альтернативного беспроводного решения проблемы «последней мили» для широкополосного подключения к Интернету.

Начальный вариант стандарта 802.16 работал в полосе частот 10-66 ГГц и обеспечивал соединение только в пределах прямой видимости. Расширение стандарта 802.16а работает на более низких частотах 2-11 ГГц, дальность действия до 50 км, расширенные возможности работы вне прямой видимости позволяют улучшить качество покрытия обслуживаемой зоны, максимальная скорость передачи данных на сектор базовой станции: до 70 Мбит/с.

Топология сетей Wi-Fi

Рис. 16. Топология сетей Wi-Fi

Поскольку WiMAX используются в качестве стандарта беспроводного широкополосного доступа (Broadband Wireless Access, BWA), то технологию WiMAX также обозначают как BWA 802.16.

На данный момент актуальным является разработка возможности организации роуминга между разными базовыми станциями

  • 802.16, чтобы сделать эту связь аналогом мобильной. Есть уже и специальная группа 802.16е, занимающаяся организацией роуминга между различными сетями, чтобы устройство могло переходить из беспроводной сети 802.1 lb в сеть 802.16 или даже из проводной сети 802.11 в
  • 802.16.

Место технологии WiMAX в общей структуре сетей передачи данных хорошо иллюстрирует рисунок 17 [53].

Место BWA на рынке широкополосного доступа

Рис. 17. Место BWA на рынке широкополосного доступа

Стандарты сотовой связи, относящейся к WWAN, принято делить на поколения: 1G, 2G 3G и т.д. Стандарты первого поколения (1G) были аналоговыми, и первый революционный скачок был совершен при переходе на цифровые стандарты второго поколения, среди которых следует выделить два главных направления — TDMA и CDMA.

Говоря о втором поколении, прежде всего следует сказать о GSM (Global Standard for Mobile Communications) — глобальном стандарте для мобильной сотовой связи с разделением канала по принципу TDMA (Time Division Multiple Access), подразумевающему множественный доступ с разделением по времени. При этом способе использования радиочастот в одном частотном слоте находится несколько абонентов, а разные абоненты применяют разные временные слоты для передачи. Одним из основных недостатков таких сетей является низкая скорость передачи (9600 бит/с).

Возможности мобильного доступа в Интернет были значительно расширены с переходом на использование технологии GPRS (General Packet Radio Service — пакетная передача данных по радиосетям). Средняя скорость передачи данных при использовании GPRS примерно 48 кбит/с. GPRS подходит для приложений, основанных на протоколе (Wireless Application Protocol -WAP).

Разветвившись на этапе второго поколения, технологии сотовой связи пришли к единому протоколу WCDMA — стандарту третьего поколения, лежащего в основе сетей UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

UMTS способна предоставить скорость передачи данных 2 Мбит/с, но это возможно только для неподвижного пользователя. Пешеходы могут обмениваться данными со скоростью 384 Кбит/с, а пользователи, находящиеся в движущемся транспорте, - 144 Кбит/с.

Главным отличием WCDMA от GSM является то, что стандарт использует широкие диапазоны частот, в которых передается шумоподобный код, содержащий данные для всех абонентов.

4.3 Разработка структурной схемы интеллектуальной системы удаленного (беспроводного) мониторинга и управления опытным образцом зернохранилища с горизонтальными силосами инновационного типа

Структурная схема интеллектуальной удаленной (беспроводной) системы мониторинга и управления технологическим процессом хранения зерна в зернохранилище с горизонтальными силосами инновационного типа представлена на рисунке 18. Измерительные датчики Sensor 1 - Sensor N производят сбор информации о состоянии технологического процесса и технологического оборудования. Данные с датчиков, поступающие по аналоговым и цифровым интерфейсам в зависимости от типа первичного преобразователя, анализируются программируемым логическим контролером ПЛК160 (PLC) производства компании ОВЕН. Данный тип контроллера выбран исходя из соображений требуемой вычислительной мощности, наличия достаточного количества и типов интерфейсов, а так же надежности и эксплуатационных характеристик.

На основании анализа данных с датчиков по разработанному алгоритму ПЛК вырабатывает сигналы регулирования и управления на исполнительные устройства Device 1 - Device N для поддержания технологического процесса в пределах установленных норм и реагирования на обнаруженные системой диагностики критические (аварийные) состояния технологического оборудования.

Для удаленного контроля над зернохранилищем в системе используется архитектура сети передачи данных с доступом в интернет по стандарту 3G. Данный стандарт выбран из-за наиболее развитой сети покрытия как в Северо-Казахстанской области, так и Казахстане в целом.

Управление сетью передачи данных реализовано на маршрутизаторе tp-link wrl043nd с предустановленным дистрибутивом OpenWRT на ядре GNU/Linux. Это позволяет создать систему для решения конкретной задачи по мониторингу и управлению зернохранилищем.

Puc. 18. Структурная схема интеллектуальной системы удаленного мониторинга и управления процессом хранения зерна в зернохранилище с горизонтальными силосами инновационного типа

В частности в системе реализовано видеонаблюдение за объектом при помощи IP-камер Motion detection/IP cam 1 - IP cam N. Для этого в составе OpenWRT использовано ПО Motion - мощная бесплатная программа для обнаружения движения по камере. Данное ПО позволяет отслеживать движение в кадре и при его обнаружении включать запись на сетевое хранилище Data Base или производить посылку снимков обнаруженного объекта через интернет.

Доступ к PLC организован через протокол Modbus - открытого коммуникационного протокола, основанного на архитектуре ведущий- ведомый (master-slave). Используется для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232. Способ реализации протокола Modbus-RTU выполнен при помощи shell-скрипта и обвязки в виде j s-кода.

Так же посредством сети Ethernet и Web-камер Photogrammetry/lP cam 1 - IP cam N реализована система бесконтактных измерений на основе фотограмметрических методов.

Текущие данные контроля через дискретные промежутки времени передаются на удаленный сервер в сети интернет, где аккумулируются в базе данных и доступны для просмотра и мониторинга пользователем. В случае возникновения критической ситуации (нарушение производственного процесса, срабатывание охранной сигнализации и т.д.) данные по тревоге доставляются пользователю в виде push- уведомлений.

Находясь непосредственно вблизи объекта, пользователь User получает доступ к накопленным данным и системам управления зернохранилищем через беспроводное соединение по Wi-Fi. Для этого на базе ядра OpenWRT развернут веб сервер Lighttpd и РНР5 с базами данных SQLite3.

Для сохранения конфиденциальности данных и предотвращения несанкционированного доступа в сети Wi-Fi необходимо использовать современный алгоритм шифрования AES/CCMP - алгоритм, основанный на AES256 с дополнительными проверками и защитой. Кроме того при работе с Internet предусмотрено использование протокола HTTPS - расширение протокола HTTP, поддерживающее шифрование. Данные «упаковываются» в криптографический протокол SSL или TLS.

Удаленный сервер, находящийся на хостинге в сети интернет, контролирует прием данных через строго определенные промежутки времени и если через указанный промежуток времени данные не поступают, сервер генерирует тревожное push-уведомление для клиента. Таким образом, обеспечивается контроль за исправностью системы безопасности, и электроснабжения объекта.

Выводы по четвертому разделу:

  • 1. Основываясь на проведенном обзоре, мы пришли к выводу о целесообразности применения беспроводных технологий при разработке и внедрении интеллектуальных систем удаленного мониторинга и управления на предприятиях АПК и, в частности, для совершенствования технологии хранения зерна в зернохранилищах с горизонтальными силосами инновационного типа.
  • 2. В ходе проведения исследований разработана структурная схема интеллектуальной системы удаленного мониторинга и управления процессом хранения зерна в зернохранилище с горизонтальными силосами инновационного типа. Описание структурной схемы содержит конкретные технические решения и рекомендации по применению беспроводных технологий. Определены функциональные задачи основных узлов интеллектуальной системы.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >