Принципы построения радиосистемы "Стрелец". Модуль беспроводной передачи данных по технологии ZigBee, преимущества и недостатки его применения, принцип действия и оценка возможностей. Описание структурной и принципиальной электрической схемы устройства.
Беспроводные каналы постепенно входят в ЭВС, расширяя гибкость и мобильность последних, замечательным качеством радиоканала считается не возможность его разрыва при сознательных нарушений связи использовании дополнительных помех (приводит к ложным срабатываниям), что не выводит систему из строя, система восстанавливается в короткое время. Возникает задача при проектировании новых информационных систем на большое число точек контроля выборе типа канала связи, но задача решается в рамках дипломного проекта. Данное устройство при многочисленных возможностях имеет невысокую стоимость, хорошо вписывается в бюджетный вариант небольших предприятий, что важно для выполнения задачи управления и мониторинга объектов, простоту в использовании. Однако они выделены в отдельные функциональные блоки в силу следующих обстоятельств: • АЦП, как это отражено на рисунке 2, в отличие от других преобразователей, работают под управлением ЭВМ, обеспечивающей необходимый алгоритм сбора первичной информации; Преобразователь интерфейса ПИ-485/232 используется при организации связи между устройствами, оборудованными интерфейсом RS-232, но использующими в качестве среды передачи интерфейс RS-485.В дипломном проекте выполнен обзор современных технологий иосвязей и проводного интерфейса передачи данных, выбрана наиболее рспективная система передачи данных по технологии ZIGBEE.
Введение
радиосистема беспроводной zigbee
На сегодня разрабатываются информационные, контрольные и управляющие системы.
С одной стороны информация о текущем состоянии объекта, а с другой стороны имеется возможность управления, подача сигналов которые изменяют состояние объекта.
Основные вопросы, которые необходимо решать при проектировании систем способы передачи, как контроля и управляющую информацию на пульт контроля или оператору сигнализации.
Примерами могут служить состояния, контроль пожароопасности объекта или мониторинга.
Развитие технической передачи сигналов приводит к постепенному вытеснению проводных способов радиочастотными. В тоже время проводные способы ориентированы на применение типичных интерфейсов ЭВС (RS-422, RS-485) которые показали хорошую работоспособность и заслуживают внимания при проектировании новых изделий.
Беспроводные каналы постепенно входят в ЭВС, расширяя гибкость и мобильность последних, замечательным качеством радиоканала считается не возможность его разрыва при сознательных нарушений связи использовании дополнительных помех (приводит к ложным срабатываниям), что не выводит систему из строя, система восстанавливается в короткое время. Возникает задача при проектировании новых информационных систем на большое число точек контроля выборе типа канала связи, но задача решается в рамках дипломного проекта.
Актуальность разработки контроллера охранной системы с радиоканалом
Сегодня рынок насыщен разнообразными устройствами как отечественного, так и зарубежного производства, обеспечивающими необходимое сервисное обеспечение на основе микропроцессорного управления. Но эти системы, как правило, очень дорогие, состоящие из множества различных блоков и с высокой ценовой категорией.
На сегодняшний день большую популярность завоевала продукция систем безопасности предприятия «BOLID». Но построение сетей на крупных объектах зачастую не дает полноценное использование проводных интерфейсов связи, так как существуют труднодоступные места в здании и между ними, для прокладки кабеля телеметрии.
В данной работе рассматривается устройство, предназначенное для интегрирования в системы безопасности. Контроллер охранной системы с радиоканалом работает по технологии ZIGBEE имеет очень малое потребление электроэнергии, что не маловажно для экономии на сегодняшний день. Возможность передать информацию в обход при отказе соседнего устройства, что не нарушает работоспособности всей сети. Имеющаяся помехозащищенность радиоканала позволяет существенно увеличить дальность передачи.
Комбинированный прибор позволяет с помощью гибкой настройки портов подключать различные типы датчиков, и систем управления, выполняющие разнообразные функции.
Имеется возможность подключения внешних устройств оповещения, идентификаторов (ключи Touch Memory, Proximity - карты, PIN - коды и т.д.) позволяют организовать предоставления доступа, управлением и другими функциями.
Данное устройство при многочисленных возможностях имеет невысокую стоимость, хорошо вписывается в бюджетный вариант небольших предприятий, что важно для выполнения задачи управления и мониторинга объектов, простоту в использовании.
1. Анализ технического задания
Обобщенная структура информационно - измерительных систем.
Различные виды структуры ИИС в зависимости от организации и взаимодействия функциональных блоков: цепочечная, радиальная, магистральная с централизованным и децентрализованным управлением, радиально-магистральная. Эти варианты структур отличаются в основном организацией передачи информации. В зависимости от организации сбора измерительной информации выделяются структуры: одноканальная, многоканальная, мультиплицированная, многоточечная, сканирующая. Мы не будем останавливаться на рассмотрении этих структур, поскольку при современном уровне цифровой вычислительной техники все эти структуры с функциональной точки можно рассматривать как частный случай обобщенной структуры, приведенной на рисунке 1 [1].
Рисунок 1 - Управление исследуемым объектом
Исследуемый объект описывается физическими величинами х1…, xn. Номенклатура измеряемых величин определяется заказчиком (пользователем) ИИС, исходя из физических представлений об объекте. Эти величины могут быть одинаковыми, например пространственные координаты. Среди них могут быть однотипные, например электрические (напряжение, сила тока, сопротивление и др.). Эти величины могут быть существенно различными, например метеорологические показатели при мониторинге окружающей среды (температура воздуха, атмосферное давление, влажность, направление и скорость ветра). Даже при четко выраженной области применения ИИС измеряемые физические величины могут быть различными [1].
Первичные измерительные преобразователи (ПИП), или датчики, преобразуют величины xt в электрические величины yt (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность и др.). Датчики являются обязательными компонентами ИИС. Вид датчика в первую очередь определяется видом преобразуемой величины. Однако, как мы увидим ниже, для измерения одной и той же физической величины могут использоваться различные первичные преобразователи, отличающиеся принципом действия и своими характеристиками. Поэтому в рамках одной ИИС, если даже преобразуемые величины одинаковы по физическому смыслу, первичные преобразователи могут быть различными, в частности, в зависимости от требуемого диапазона измерения. Например, шунты, являющиеся первичными преобразователями силы тока в напряжения, будут иметь разное сопротивление для разных диапазонов измерения. Диапазоны измерения силы тока могут отличаться на порядки. В силу этого конструкция шунтов в различных каналах также будет различной [1].
Конструктивно вторичные преобразователи могут быть совмещены с первичными преобразователями или выполнены в виде отдельных плат (устройств). В состав вторичных преобразователей могут входить простейшие вычислительные устройства, например для введения поправок или для линеаризации характеристик (так называемые интеллектуальные датчики) [1].
Напряжения Ui поступают на аналого-цифровые преобразователи (АЦП), где преобразуются в цифровые коды Сі подаваемые на ЭВМ. По выполняемым функциям АЦП в принципе можно отнести к вторичным преобразователям, что, как мы увидим ниже, реализуется иногда конструктивно. Однако они выделены в отдельные функциональные блоки в силу следующих обстоятельств: • АЦП, как это отражено на рисунке 2, в отличие от других преобразователей, работают под управлением ЭВМ, обеспечивающей необходимый алгоритм сбора первичной информации;
• АЦП, как и датчики, в отличие от других вторичных преобразователей, являются обязательными компонентами каждого канала.
Рисунок 2 - АЦП в мультиплексном режиме
АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала, однако чаще один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме (рисунок 2) [1].
Каналы связи между элементами ИИС могут иметь различный характер. В простейшем случае для локально сосредоточенной ИИС это проводная связь, в том числе внутри стойки или конструктива (крейта), где размещены сами элементы. Для ИИС, распределенных в пространстве, могут использоваться радиоканалы или волоконнооптическая связь. В этих случаях один канал связи может служить для передачи информации от разных первичных преобразователей, если они локально сосредоточены, то есть каналы связи, как и АЦП, могут функционировать в мультиплексном режиме [1].
Так например универсальный микропроцессорный вторичный преобразователь регулятор-измеритель ОВЕН ТРМ1 предназначен для измерения и регулирования температуры теплоносителей и различных сред в холодильной технике, сушильных шкафах, печах различного назначения и другом технологическом оборудовании, а также для измерения других физических параметров (веса, давления, влажности и т. п.).
К его основным функциям можно отнести универсальный вход для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности, расхода, уровня и т. п., цифровая фильтрация и коррекция входного сигнала, масштабирование шкалы для аналогового входа, возможность управления трехфазной нагрузкой (модификация по типу выхода с3), индикация текущих значений измеренной величины или уставки на встроенном 4-х разрядном светодиодном цифровом индикаторе, программирование кнопками на лицевой панели прибора, сохранение настроек при отключении питания.
Пример АЦП для этих типов приборов - автоматические и полуавтоматические преобразователи ОВЕН АС2, ОВЕН АС3, ОВЕН АС4 с интерфейсами RS-232, RS-485 или USB. Максимальное количество каналов отображения для одного порта составляет 256. Без использования средств усиления сигнала к преобразователю АС3-М, АС3 или АС4 можно подсоединять до 32 приборов, с использованием усилителя - до 256.
Последовательность преобразователей (ПИП, ВИП, если они есть, и АЦП) и каналов связи, обеспечивающая преобразование измеряемой физической величины в цифровой код, называется измерительным каналом (ИК). Другими словами, измерительный канал - это вся совокупность технических средств, преобразующих измеряемую величину в код, поступающий в ЭВМ. Как видно из вышесказанного, общим для разных ИК могут быть АЦП, каналы связи и иногда вторичные преобразователи [1].
Рассмотренная функциональная схема, как уже отмечалось, включает в себя как частные случаи другие структурные схемы. При n = 1 мы получаем одноканальную ИИС. Точечная ИИС, для которой все или некоторые величины хі одинаковы по физическому смыслу и измеряются датчиками, размещенными в разных точках пространства, вписывается в схему на рисунке 1 без каких-либо уточнений. Различные варианты организации связи конкретизируют построение измерительных каналов, но не изменяют функциональной структуры системы [1].
Информационно - измерительные системы применяют как автономно, так и в составе различных автоматизированных комплексов, создаваемых на основе интеграции ЭВС, а также средств связи [1].
Независимо от назначения и конкретного применения, общее требование к ИИС состоит в том, что исходное аналоговое измерительное сообщение, передаваемое от каждого источника (датчика), восстанавливается на выходе (у адресата) с заданной точностью.
Если информация передается на большое расстояние или в условиях сильных помех, передача - прием, включает выбор помехоустойчивых методов кодирования - декодирования, модуляции - демодуляции [1].
Информационно - измерительных системах, где совокупность функционально - связанных устройств наряду с измерением обеспечивает все необходимое информационное обслуживание контролируемого объекта, включающий автоматический сбор, представление, передачу, запоминание, регистрацию и обработку измерительной информации. В случаях, когда передача данных осуществляется по кабельной линии или радиолинии система является телеметрической или радиотелеметрической [1].
В данном дипломном проекте рассмотрим несколько систем передачи телеметрических данных, послуживших при проектировании аналогами создаваемой системы передачи данных, например, такие как «Стрелец». К разрабатываемому устройству будут подключаться датчики движения, задымления, открытие дверей и датчики на разбитие стекла. Связь с датчиками осществляется по радиоканалу что очень удобно при использовании прибора. Контроллер охранной системы с радиоканалом будет работать как автоматизированная система интегрированная в ЭВС.
1.1 Интерфейс передачи данных RS-485
Интерфейс RS-485 - широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс передачи данных. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, программируемые логические контроллеры наряду с традиционным интерфейсом RS-232 содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485 [2].
Интерфейс RS-485 основан на стандарте EIA RS-422/RS-485. К сожалению, полноценного эквивалентного российского стандарта не существует, поэтому в данном разделе предлагаются некоторые рекомендации по применению интерфейса RS-485 [2].
Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными перепадами напряжения величиной (0,2…8) В, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств - повторителей). Кроме того, интерфейс RS-485 позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии (так называемая «мультиплексная шина») [2].
В обычном PC-совместимом персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/232 (рисунок 3) [2].
Рисунок 3 - Построение интерфейса RS-485
Преобразователь интерфейса ПИ-485/232 используется при организации связи между устройствами, оборудованными интерфейсом RS-232, но использующими в качестве среды передачи интерфейс RS-485.
Некоторые технические данные преобразователя ПИ-485/232: взаимное «прозрачное» преобразование сигналов интерфейсов RS-232 и RS-485 с гальванической изоляцией между ними;
управление направлением передачи осуществляется со стороны RS-232 по сигналу RTS;
требует наличия сигнала DTR, используемого для питания преобразователя (на стороне RS-232);
организация связи между различными устройствами, протокол передачи которых использует полудуплексный режим (запрос и ответ передаются по одной физической линии, но в разные промежутки времени);
индикация состояния сигналов интерфейса RS-232: RXD (прием), TXD (передача), RTS (сигнал управления передачей);
максимальная скорость обмена - 19200 бит/с [2].
Грубо принцип управления направлением передачи преобразователя ПИ-485/232 можно представить так (рисунок 4).
Рисунок 4 - Принцип передачи данных
Рисунок 5 - Линия связи
В качестве линии связи используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением ?120 Ом (рисунок 5). Для защиты от помех экран (оплетка) витой пары заземляется в любой точке, но только один раз: это исключает протекание больших токов по экрану изза неравенства потенциалов «земли». Выбор точки, в которой следует заземлять кабель, не регламентируется стандартом, но, как правило, экран линии связи заземляют на одном из ее концов [2].
Устройства к сети RS-485 подключаются последовательно, с соблюдением полярности контактов A и B: Как видно из рисунка 6, длинные ответвления (шлейфы) от магистрали до периферийных устройств не допускаются. Стандарт исходит из предположения, что длина шлейфа равна нулю, но на практике этого достичь невозможно (небольшой шлейф всегда имеется внутри любого периферийного устройства: от клеммы до микросхемы приемопередатчика) [2].
Рисунок 6 - Подключение периферийных устройств
Качество витой пары оказывает большое влияние на дальность связи и максимальную скорость обмена в линии. Существуют специальные методики расчета допустимых скоростей обмена и максимальной длины линии связи, основанные на паспортных параметрах кабеля (волновое сопротивление, погонная емкость, активное сопротивление) и микросхем приемопередатчиков (допустимые искажения фронта сигнала). Но на относительно низких скоростях обмена (до 19200 бит/с) основное влияние на допустимую длину линии связи оказывает активное сопротивление кабеля. Опытным путем установлено, что на расстояниях до 600 м допускается использовать кабель с медной жилой сечением 0,35 мм (например, кабель КММ 2х0,35), на большие расстояния сечение кабеля необходимо пропорционально увеличить. Этот эмпирический результат хорошо согласуется с результатами, полученными расчетными методами [3].
Даже для скоростей обмена порядка 19200 бит/с кабель уже можно считать длинной линией, а любая длинная линия для исключения помех от отраженного сигнала должна быть согласована на концах. Для согласования используются резисторы сопротивлением 120 Ом (точнее, с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, но, как правило, используемые витые пары имеют волновое сопротивление около 120 Ом и точно подбирать резистор нет необходимости) и мощностью не менее 0,25 Вт - так называемый «терминатор». Терминаторы устанавливаются на обоих концах линии связи, между контактами A и B витой пары. Преобразователь ПИ-485/232 уже имеет терминатор, и при необходимости его можно включить установкой перемычки между контактами «T» и «T» [3].
В сетях RS-485 часто наблюдается состояние, когда все подключенные к сети устройства находятся в пассивном состоянии, т.е. в сети отсутствует передача и все приемопередатчики «слушают» сеть. В этом случае приемопередатчики не могут корректно распознать никакого устойчивого логического состояния в линии, а непосредственно после передачи все приемопередатчики распознают в линии состояние, соответствующее последнему переданному биту, что эквивалентно помехе в линии связи. На эту проблему не так часто обращают внимания, борясь с ее последствиями программными методами но, тем не менее, решить ее аппаратно несложно. Достаточно с помощью специальных цепей смещения создать в линии потенциал, эквивалентный состоянию отсутствия передачи (так называемое состояние «MARK»: передатчик включен, но передача не ведется). Цепи смещения реализованы в преобразователе ПИ-485/232, для их подключения достаточно установить две перемычки между контактами « V» и « V»,» - V» и» - V» соответственно. Для корректной работы цепей смещения необходимо наличие двух терминаторов в линии связи [3].
В сети RS-485 возможна конфликтная ситуация, когда два и более устройства начинают передачу одновременно. Это происходит в следующих случаях: в момент включения питания изза переходных процессов устройства кратковременно могут находиться в режиме передачи;
одно или более из устройств неисправно;
некорректно используется так называемый «мультимастерный» протокол, когда инициаторами обмена могут быть несколько устройств [3].
В первых двух случаях быстро устранить конфликт невозможно, что теоретически может привести к перегреву и выходу из строя приемопередатчиков RS-485. К счастью, такая ситуация предусмотрена стандартом и дополнительная защита приемопередатчика обычно не требуется [3].
В последнем случае необходимо предусмотреть программное разделение канала между устройствами - инициаторами обмена, так как в любом случае для нормального функционирования линия связи может одновременно предоставляться только одному передатчику [3].
В данном дипломном проекте при разработке устройства был предусмотрено размещение интерфецса RS-485 на приборе. Этот интерфейс наиболее подходит для разрабатываемого устройства т.к он обеспечивает требуемую помехоустойчивость и определенную длину линии связи, которая нам нужна для связи с помещением охраны.
1.2 Принципы построения радиосистемы «Стрелец»
Далее вторым вариантом устройства рассмотрим внутриобъектовую охранно-пожарную сигнализацию (ВОРС), использующая беспроводной интерфейс в диапазоне 432 МГЦ (рисунок 7).
ВОРС Стрелец представляет собой распределенную радиосеть, охватывающую охраняемый объект. Узлами такой сети являются приемно-контрольные устройства - радиорасширители (РРОП, АСБ-РС, РРП-240). Один, из которых программно назначается координатором сети [4].
Каждый радиорасширитель (РР) контролирует закрепленные за ним дочерние радиоканальные устройства: извещатели охранные, пожарные, исполнительные устройства, устройства управления и др. Вместе с дочерними устройствами он формирует микросоту. Сетевая топология внутри каждой микросоты - «звезда», в центре которой размещен радиорасширитель[4].
Радиорасширитель ретранслирует информацию от своих дочерних устройств и других радиорасширителей по радиосети на координатор.
Рисунок 7 - Топология радиосистемы «Стрелец»
Координатор выполняет функции основного компонента системы, на который стекается вся информация с остальных РР системы [4].
Координатор собирает информацию о состоянии всех устройств радиосети и выполняет следующие операции: • обработку и протоколирование информации;
• отображение состояния разделов с помощью средств индикации;
• передачу информации на устройства передачи извещений, компьютер, релейные выходы и в сигнальные линии различных приемно-контрольных приборов (ППКОП Аккорд-512 / Спектр-8, ППКП Радуга-2А/4А, Радуга-3/240) [4].
Координатор также получает команды от устройств управления, с компьютера, либо внешнего приемно-контрольного прибора и, в случае необходимости, передает управляющие команды дочерним устройствам и другим РР радиосети[4].
При отсутствии дочерних РР координатор самостоятельно выполняет функции радиоканального ППКОП с малым радиусом охвата, либо блока радиоканального расширения проводного ПКП[4].
Таблица 1 - Варианты построения систем
Интеграция Устройства Автономно или С ППКОП «Аккорд-512», «Спектр-8» В составе ППКП «Радуга-2А/4А» В составе ППКП «Радуга-3/240»
Координатор РРОП АСБ-РС РРП-240
Устройства: дочерние РРОП маршрутизаторы извещатели детекторы исп. устр. устр. упр. глоб. устройства Всего 15 16 512 (32х16) 256 (16х16) 16 784 15 16 1) 512 (32х16) 2) 256 (16х16) 16 784 4) 7 16 1) 128 (с РР) 2) 3) 128 (с РР) 3) - 128 (с РР) 3)
1) Состояние маршрутизатора не отображается на ППКП Радуга-2А/4А/3/240. 2) В качестве извещателей могут быть использованы ИП, РИГ и БУК-Р. 3) Адрес в СЛ «Радуга-3/240» может быть присвоен РР и дочерним устройствам с номерами 1-32 (любого из 8 РР). Каждому устройству соответствует свой адрес в СЛ. 4) На 64 адреса в СЛ. Каждому адресу в СЛ соответствует локальный раздел.
Общие характеристики ВОРС «Стрелец» как ППКП В соответствии с ГОСТ Р 53325-2009 ВОРС «Стрелец» является прибором приемно-контрольным и управления пожарным (ППКУП) со следующими характеристиками: Таблица 2 - Основные характеристики ППКУП
Вывод
В дипломном проекте выполнен обзор современных технологий иосвязей и проводного интерфейса передачи данных, выбрана наиболее рспективная система передачи данных по технологии ZIGBEE.
Разработан прибор мониторинга и сбора информации состояния кта и передачи данных на основе выбранной технологии. Разработаны вма структурная, электрическая принципиальная, конструкция, выполнены счеты по определению резонансной частоты печатной платы, надежности изделия, теплового режима блока.
Выполнены схемы: структурная на формате А1, электрическая инципиальная на формате А1, трассировка печатной платы на форматах 1, сборочный чертеж печатной платы на формате А1, чертеж основания на формате А1, сборочный чертеж устройства на формате А1, плакат модель объекта охраны на формате А1, плакат подключения оснастки формате А3
В технологической части разработан технологический процесс, проверены характеристики по точности.
Согласно задания выполнены мероприятия по экономике и безопасности жизнедеятельности.
Проведенные расчеты показали, что полученные характеристики соответствуют требованиям технического задания.
Список литературы
1. Крюков В.В. Информационно-измерительные системы. Учебное пособие. - Владивосток: ВГУЭС, 2000. - 102 с.
4. Руководство по эксплуатации ППКОП 01040510119-16/256-1
5. http://konvir.ru
6. http://ru.wikipedia.org/wiki
7. http://www.mt-system.ru
8. http://www.wireless-e.ru
9. http://book.itep.ru
10. CHIP NEWS №1-2010
11. http://www.ebwise.com
12. http://catalog.compel.ru
13. ГОСТ 20.39.108-85 «Комплексная система общих технических требований. Требования по эргономике, обитаемости и технической эстетике. Номенклатура и порядок выбора»
14. Леухин В.Н., Павлов Е.П. Разработка лицевой панели радиоэлектронного устройства: Учебное пособие. - Йошкар - Ола, МАРГТУ, 1998. -98с.
15. http://manometer-ufa.ru
16. Каленкович Н.И. Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1993. -326с.
17. Леухин В.Н., Павлов Е.П. Проектирование функционального узла ив печатной плате: Учебное пособие. - МАРГТУ. 1996. -90с.
18. http://gostexpert.ru
19. Справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под ред. Р.Г. Варламова - М.: Советское радио, 198О.-480с.
20. Андреев В.А., Устройства на микросхемах. Устройства автоматики: Справочное пособие. - СПБ.: «Лань», 2003.-165с.
21. Захаров Ю.В. Управление качеством и надежность электронных средств: Учебное пособие. - Йошкар-Ола: МАРГТУ, 2002.-80с.
22. Черняк СЛ. Справочная книга по светотехнике - М.: Энергоатомиздам, 1983. - 472 с.
23. Павлов Е.П., Санникова И.Т. Основы проектирования электронныхсредств: Курс лекций. - Йошкар-Ола: МАРГТУ, 2004.-308с.
24. Пушкарев О. ZIGBEE-модули ХВЕЕ с поддержкой MESH- топологии//Новости электроники, 2007, №16.
