Возможные сферы применения распределенных сенсорных сетей в инновационных направлениях
Содержание
Введение
Распределенные сенсорные сети (РСС) — это новое направление в традиционной области сбора обработки и передачи данных. Принципиальным достоинством РСС является то, что на основе набора стандартных комплектующих, таких, как микрочипы, передатчики радиомодулей, всевозможные датчики, таких распространенных, как датчики температуры, давления, влажности, освещенности, состава газов и других элементов, широко доступных в коммерческом доступе, создаются новые устройства, обладающие наряду с традиционными еще и необычными свойствами. Это самоорганизующиеся сети. Они в автоматическом режиме находят ближайших соседей, и собранные данные в цифровом формате передаются от одного промежуточного устройства через прыжки — хопы. Таких прыжков в общем маршруте передачи данных может быть до 64000. От одного устройства на другое передаются данные в виде пакетов (фреймов) на расстояние до 1000 м прямой видимости между двумя устройствами. Таким образом собранный пакет данных проходит в сети по маршруту. Общая длина пути может оказаться максимально 64 тыс. километров до шлюза, далее от которого пакет данных доставляется на сервер, где хранится, обрабатывается, становится доступным для анализа.
РСС обладают возможностью самовыстраивать маршрут — самоорганизовываться.
Для экономии энергии большая часть компонентов сенсорных устройств почти всегда находится в выключенном состоянии, поэтому используются различные вариации в связности сети, учитывая, кроме того, реальную возможность отказов устройств по причине сложных природных условий эксплуатации. Двух батареек «AA» обычно хватает для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования в течение нескольких месяцев (а в некоторых случаях до 2-х лет). В среднем значения параметров питания выглядят следующим образом и видны из табл. 1:
| Напряжение питания | 2.8 — 3.4 В |
| Ток в режиме приема | 50мА @ 3.3 В |
| Ток в режиме передачи | 45-270мА @ 3.3В |
| Ток в спящем режиме | < 10 мкА |
Таблица 1. Значения параметров питания устройств
Расстояние, радиочастота и скорость передачи данных
Обмен данными осуществляется по протоколу ZigBee (на одном из 11 каналов в радиочастоте 2,4 ГГц) с полосой пропускания до 250 Кбит/с, при относительно низком уровне потребления энергии.
Топология сети
Как правило, РСС строится согласно топологии «многоячейковая сеть». При построении сети необходимо наличие координатора, маршрутизатора, конечных устройств. Сеть строится таким образом, чтобы сигнал отправителя способен был найти альтернативный маршрут доставки пакета в случае, если маршрут «по умолчанию» по каким-то причинам не способен передать пакет с информацией. Сеть постоянно «слушает» и адаптируется к обстановке внутри сети. Каждый узел следит за своими соседями, постоянно обновляя маршрутные таблицы на основе оценки мощности принятых от них сигналов. В результате при изменении пространственного расположения соседей или выходе из сети одного из устройств (физического удаления устройств, прекращения энергопитания устройства и т. п.) создается новый маршрут прохождения пакетов данных.
Узлы сети
Конечные устройства состоят из платы с датчиками, беспроводного модуля, а также блока питания. Шлюзы (маршрутизаторы) имеют внешний интерфейс в виде USB, WiFi, Ethernet. Для выполнения функций маршрутизации необходимо иметь достаточный объем памяти и высокую производительность Программное обеспечение, которое используется для РСС, полностью подходит под лицензию GPL и, как правило, является СПО.
Экологический мониторинг
Актуальность работы
На территории ИПЛИТ РАН совместно с Владимирским государственным университетом развернута опытная зона по сбору экологических параметров окружающей среды в реальном времени с использованием РСС. Актуальность задачи состоит в том, что сейчас у общественных экологических организаций нет возможности закупать такие системы для проведения замеров. Заказчиками подобных замеров являются администрации муниципальных образований, различные промышленные производства, заводы и предприятия как у нас в стране, так и в других странах СНГ, например, в Донбассе и Запорожье, где уже проводились переговоры на предмет расстановки изготовленных элементов системы экологического мониторинга на основе РСС. Коммерческая часть подобных замеров состоит в том, что специалисты по экологии, получив подобные данные, передают их заказчику (как правило, это администрации муниципальных образований) за плату и сами платят поставщику решения за техобслуживание оборудования.
Также возможен технологический мониторинг на предприятиях энергетики (в котельных, на электростанциях, химических производствах). Преимущества: быстрый монтаж, простота и удобство в обслуживании.
Таким образом, изготовленные нами 30-50 комплектов, которые расставленны на объектах, при оплате за техобслуживание позволяют выйти на самоокупаемость проекта через 3 года.
Финансирование этого проекта осуществлялось через грант от РФФИ в 2009 году на научные исследования по теме РСС.
Постановщик задачи
В данном проекте постановщиком задачи и разработчиком технических требований выступил Владимирский государственный университет (ВлГУ), в лице зав. кафедры экологии. Адрес сайта: http://wsn.laser.ru.
Оценка рынка
Учитывая то, что в каждом муниципальном образовании, как правило, имеются проблемы с экологией, можно предлагать мэрам городов исследование их экологической ситуации на условиях сервисного обслуживания, например, составление мониторинга экологической загрязненности воздушного пространства городского микрорайона разово в размере 100 тыс. руб. По итогам Всероссийской переписи населения 2010 года 1108 населенных пунктов в России имеют статус города.
Промышленный мониторинг
Актуальность работы
На территории Шатурской ГРЭС №5 была развернута сеть РСС для осуществления термоконтроля на линии рециркуляции питательных насосов блоков №№ 1-6. Температура трубопровода в районе исследования составляет 230° С в нормальном состоянии. Точность измерения 5-10 градусов, замеры проводятся раз в 10 сек.
Такой технологический мониторинг возможен не только на предприятиях энергетики, но еще и в районных котельных, электрощитовых, в химическом производстве, поскольку РСС имеют преимущества: быстрый монтаж, простота и удобство в обслуживании.
Постановщик задачи
В данном проекте постановщиком задачи и разработчиком технических требований выступил отдел автоматики ГРЭС №5.
Инженерный мониторинг
Актуальность работы
С использованием РСС осуществляется лифтовой мониторинг и сервисный мониторинг инженерных систем. Для лифтового мониторинга устанавливаются датчики вдоль шахты лифта, где они фиксируют скорость и ускорение движения кабины лифта, а также позиционируют положение лифта. Целью данного эксперимента, длящегося уже в течении трех лет, является накопление данных для дальнейшей сертификации РСС в лифтовом мониторинге.
Внутридомовая инженерная система, основанная на РСС, помогает в случаи аварии или протечек в автоматическом режиме перекрывать трехходовой кран с одновременным информированием дежурного диспетчера о месте протечки, пресекая тем самым аварийную утечку воды из трубопровода. Также возможно управление вентиляцией — влажностью и температурой в помещениях.
Постановщик задачи
Компания ЛифтТелеСервис выступила постановщиком задачи создания и эксплуатации на лифтах в г. Дзержинском Московской области. В настоящее время эта система дублирует традиционную сертифицированную систему диспетчеризации городского лифтового хозяйства, являясь вспомогательной и экспериментальной.
Сбор информации в ЖКХ
Актуальность работы
В настоящее время в России жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) является излишне энергозатратным. Весьма важной и актуальной задачей является экономия ресурсов (воды, электроэнергии, газа, тепла). До настоящего времени широкого распространения системы для сбора и обработки информации, собираемой с приборов учета в ЖКХ, пока еще не получили. Отчасти это связано с трудоемкостью монтажа и высокой стоимостью создания подобных комплексных систем с проводными приборами учета. С использованием РСС задачу создания системы можно реализовать за достаточно короткий срок и с минимальными затратами на оборудование и монтаж. По квартирам многоэтажного дома расставляются приборы учета, оснащенные интерфейсом сбора показаний с датчиков расхода и способные передавать их по радиоканалу через интерфейс ZigBee от узла к узлу на шлюз. Далее они попадают в диспетчерскую, там осуществляется первичный мониторинг и обработка собранных данных, которые потом отправляются в единый процессинговый центр для выставления счетов и хранения.
Постановщик задачи
Администрация Закрытого Территориального Образования г. Озерска Челябинской области.
