Sensornetzwerke. Levzhinsky A. S. Anwendung von Sensornetzwerken

Der Tag ist schon nahe, an dem Hunderte Millionen Halbleitersensoren in alles Mögliche integriert werden, vom Schlüsselanhänger bis zum Kinderwagen. Und alle werden nicht nur als intelligente Sensoren fungieren, sondern auch die primäre Informationsverarbeitung durchführen sowie miteinander interagieren und ein einziges drahtloses Sensornetzwerk bilden. Gleichzeitig verbrauchen solche Sensoren praktisch keinen Strom, da die eingebauten Miniaturbatterien mehrere Jahre, also die gesamte Lebensdauer der Sensoren, halten. Es wird eine konzeptionell neue Art von Computersystem sein, das unter Verwendung eines drahtlosen Sensornetzwerks arbeitet. Dieses Netzwerk wird allgemein als drahtlose Ad-hoc-Sensornetzwerke bezeichnet. Der Begriff Ad-hoc ist modernen drahtlosen Netzwerken, wie dem Standard IEEE 802.11b, entlehnt. Diese drahtlosen Netzwerke haben zwei Kommunikationsmodi: Infrastrukturmodus und Ad-hoc-Modus. Im Infrastruktur-Modus interagieren die Knoten des Netzwerks nicht direkt miteinander, sondern über den Access Point, der als eine Art Hub im drahtlosen Netzwerk fungiert (ähnlich wie es in traditionellen Kabelnetzen geschieht). Im Ad-hoc-Modus, auch Peer-to-Peer genannt, kommunizieren Stationen direkt miteinander. Dementsprechend bedeutet der Ad-hoc-Modus in drahtlosen Sensornetzen, dass alle Sensoren direkt miteinander interagieren und eine Art Mobilfunknetz entsteht

Drahtlose Sensornetzwerke sind eine Art Schritt auf dem Weg in die nächste Ära – wenn Computer direkt mit der physischen Welt verbunden sind und in der Lage sein werden, die Wünsche der Nutzer zu erraten und auch für sie Entscheidungen zu treffen.
Lassen Sie uns ein wenig davon träumen, was uns solche Sensornetzwerke in Zukunft bringen werden. Stellen Sie sich Krippen vor, die dem Atmen von Babys zuhören; Armbänder, die den Zustand der Patienten in der Klinik überwachen; Rauchmelder, die im Bedarfsfall nicht nur Feuerwehrleute rufen können, sondern diese auch vorab über den Brandherd und den Komplexitätsgrad des Brandes informieren. Elektronische Geräte werden sich gegenseitig erkennen können, Netzteile erinnern sie daran, dass sie "auffrischen" müssen.

Stellen Sie sich Hunderttausende von Sensorsensoren vor, die in einem Wald miteinander vernetzt sind. In einem solchen Wald kann man sich einfach nicht verirren, da die Bewegung einer Person von Sensoren erfasst und analysiert wird. Ein weiteres Beispiel sind Sensoren im Feld, die darauf abgestimmt sind, den Zustand des Bodens zu überwachen und je nach sich ändernden Bedingungen die Bewässerung und die ausgebrachte Düngermenge zu regulieren.
Sensornetzwerke auf den Straßen werden ebenso nützlich sein. Durch die Kommunikation untereinander werden sie in der Lage sein, den Fluss der Autos zu regulieren. Das ist der Traum eines jeden Autofahrers – Straßen ohne Stau! Solche Netzwerke werden diese Aufgabe viel effizienter bewältigen können als jede Agentur. Kontrollproblem
Verkehrsdelikte werden von selbst behoben.

Durch den Einsatz von Sensornetzwerken für das Energiemanagement werden unglaubliche Energieeinsparungen erzielt. Stellen Sie sich ein solches Kontrollnetzwerk in Ihrer Wohnung vor. Durch die Verfolgung Ihres Standorts können Sensoren das Licht hinter Ihnen aus- und bei Bedarf einschalten. Nun, wenn Sie solche Netze verwenden, um die Beleuchtung von Straßen und Wegen zu steuern, wird das Problem des Strommangels von selbst verschwinden. Damit Sensornetzwerke die Realität von morgen werden, wird bereits in diese Richtung geforscht. Und führend in diesem Bereich ist die Intel Corporation, die alle fortschrittlichen Computertechnologien der Zukunft unterstützt. Besonderes Augenmerk wird auf die Entwicklung von drahtlosen Multi-Nodal-Sensornetzwerken gelegt, die sich nach Bedarf selbst bilden und automatisch konfigurieren können. Die Implementierung dieser Technologie ermöglicht den Einsatz eines Netzwerks von kostengünstigen, aber gleichzeitig sehr komplexen Halbleitersensorgeräten, die in der Lage sein werden, unabhängig miteinander zu kommunizieren und über bestimmte Veränderungen in der Umgebung zu berichten. Der Mica-Sensor wird beispielsweise mit 128 Kilobyte Flash-Speicher-Software, 256 Kilobyte Flash-Speicher zur Datenspeicherung und einem 900-MHz-Funksender geliefert.
Auf einigen dieser Geräte läuft ein Betriebssystem
TinyOS, der Code für dieses Betriebssystem ist Open Source und besteht aus allem
8,5 KB.

Solche Geräte werden in grundlegend neuen Bereichen Anwendung finden, zum Beispiel bei der Entwicklung von Smart Garments, vernetzten Decken, die den Gesundheitszustand des Neugeborenen überwachen und die wichtigsten Indikatoren seiner Vitalfunktionen melden, Smart Farms, in denen Halbleitersensoren im Boden wird die Bewässerung verwalten
System und Befruchtung. Die Forschung zu Sensornetzwerken bei der Intel Corporation ist
das berühmte Labor von Intel Berkeley Research in Kalifornien. Heutzutage existierende experimentelle Sensornetzwerke erfüllen die obigen Anforderungen nur teilweise. Netzwerke bestehen heute also nur noch aus Hunderten von Sensoren mit begrenztem Erfassungsbereich und erfüllen nur genau definierte Aufgaben. Sie sind in der Lage, nur eine bestimmte Art von Informationen von einem Sensor zum anderen und nur in einer bestimmten Bandbreite zu übertragen. Auch der Energieverbrauch ist nicht zu vernachlässigen.
- Der Akku hält nur wenige Tage. Die vorhandenen Sensorsensoren sind noch recht träge, und von hoher Zuverlässigkeit und Unsichtbarkeit im Betrieb kann (zumindest wegen der Größe) keine Rede sein. Und natürlich sind solche Sensoren ziemlich teuer, so dass ein Netzwerk von Hunderten von Sensoren nicht billig ist. Aber wir dürfen nicht vergessen, dass wir über experimentelle Netze und die Entwicklung der Technologie der Zukunft sprechen. Gleichzeitig bieten experimentelle Sensornetzwerke bereits Vorteile. Ein solches Sensornetzwerk, das gemeinsam vom Intel Berkeley Research Laboratory, dem Atlantic Institute und der University of California geschaffen wurde, arbeitet auf Great Duck Island in Maine.

Der Zweck dieses Netzwerks besteht darin, die Mikroumgebung verschiedener biologischer Organismen, die die Insel bewohnen, zu untersuchen.
Jeder menschliche Eingriff (auch zum Lernen) ist manchmal unnötig,
Hier helfen Sensornetzwerke, die es ermöglichen, ohne direkte menschliche Beteiligung alle notwendigen Informationen zu sammeln.

Das Sensornetzwerk verwendet zwei Platinen als Knotenelemente. Die erste Platine enthält einen Temperatursensor, Feuchtigkeits- und Luftdrucksensoren sowie einen Infrarotsensor. Die zweite Platine enthält einen Mikroprozessor (4 MHz), 1 KB RAM, Flash-Speicher zum Speichern von Programmen und Daten, ein Netzteil (zwei AA-Batterien) und einen Funksender /
ein Empfänger, der bei einer Frequenz von 900 MHz arbeitet. Sensoren ermöglichen es Ihnen, alle notwendigen Informationen zu registrieren und in die Datenbank des Host-Computers zu übertragen. Alle Sensoren werden vorher gründlich getestet - das Board mit Sensoren wird zwei Tage in Wasser getaucht und überwacht seine Funktionsfähigkeit. Alle Sensorknoten bilden ein einziges drahtloses Netzwerk und können Informationen austauschen. In diesem Fall erfolgt die Übertragung von Informationen von einem entfernten Netzwerkknoten zu einem Gateway (Gateway-Sensor) entlang einer Kette, dh von einem Netzwerkknoten zum anderen, wodurch Sie einen großen Abdeckungsbereich erstellen können.

Die Informationen erreichen den Host-Computer über das Gateway. Das Gateway verwendet eine Richtantenne, mit der die Übertragungsdistanz auf bis zu 300 m erhöht werden kann.Vom Host-Rechner werden Informationen über Satellit über das Internet an ein Forschungszentrum in Kalifornien übertragen.

Nicht weniger aktiv arbeiten die Labormitarbeiter an der Präzisionsbiologie und der Herstellung von Biochips. Neben der sinnlichen Wahrnehmung der Welt der festen Dinge wird die Möglichkeit untersucht, flüssige Medien und biologische, sich entwickelnde Objekte zu „fühlen“. Solche Forschungen eröffnen enorme Perspektiven für die medizinische und pharmazeutische Entwicklung, die Umsetzung chemischer Verfahren und die Herstellung biologischer Produkte. Da der Hauptzweck von Sensornetzwerken darin besteht, nützliche Informationen wahrzunehmen und zu übertragen, entwickeln die Spezialisten des Intel-Labors in Berkeley eine Methode zur Kombination von Sensoren mit Objekten, die sie überwachen, und untersuchen auch die Möglichkeit, "Aktuatoren" zu erstellen " - auf Sensoren basierende Geräte, die die Situation beeinflussen können und nicht nur ihren Zustand registrieren. Sensornetzwerke sind offensichtlich für militärische Anwendungen nützlich, eine der möglichen Variationen der Netzwerke wurde in Afghanistan "kampferprobt", wo das US-Militär mehrere hundert Sensoren eingesetzt hat, um die Bewegungen feindlicher Militärausrüstung zu verfolgen. Aber in der Einführung
Es ist zu früh, um zu sagen, dass echte Netzwerke in unserem Leben existieren, das Netzwerk ist anfällig für Fehlertoleranz. Ein Denial-of-Service (DoS)-Angriff auf ein Sensornetzwerk ist jedes Ereignis, das die Fähigkeit des Netzwerks, seine beabsichtigte Funktion auszuführen, verringert oder verhindert. Die Autoren schlagen vor, Sensornetzwerkprotokolle auf einer mehrschichtigen Architektur zu basieren, was die Effizienz des Netzwerks beeinträchtigen, aber seine Zuverlässigkeit erhöhen kann. Die für jede Schicht typischen Arten von DoS-Angriffen und die akzeptablen Schutzmethoden werden diskutiert. So werden Sensornetzwerke auch heute trotz der Unvollkommenheit und immer noch recht engen Einsatzgebietes in der Wissenschaft und später im Leben eingesetzt.

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Fast alle Lebensbereiche des 21. Jahrhunderts hängen von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) ab. Nicht nur Menschen tauschen Daten aus, sondern auch alle möglichen intelligenten Systeme, Mobiltelefone, tragbare Geräte, Geldautomaten, Sensoren. Mindestens 5 Milliarden Geräte sind bereits mit dem Internet der Dinge verbunden. Das Funktionieren großer Komplexe - Industrieunternehmen, Energie, Landwirtschaft, Einkaufszentren, Museen, Büros, Wohngebäude - ist mit einer ständigen Überwachung der Situation auf ihrem Territorium verbunden. Sensible Sensoren überwachen in Echtzeit den Zustand der Geräte, die Organisation des Zusammenspiels von Geräten untereinander, warnen vor der Notwendigkeit des Austauschs oder vor Notfallsituationen. Bei schnell wachsenden Datenmengen benötigen Sie eine einfache und bequeme Möglichkeit, diese zwischen Geräten und Rechenzentren auszutauschen.

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Drahtlose Sensornetzwerke (BSS, Wireless Sensor Networks), bestehend aus drahtlosen Sensoren und Steuergeräten, die mit intelligenten Algorithmen zur Selbstorganisation und Transportsysteme, Berücksichtigung verschiedener Ressourcen usw. Diese Ausgabe des Newsletters präsentiert technologische Trends im Bereich FSS in Bezug auf die Gewährleistung des kontinuierlichen Betriebs von drahtlosen Sensoren und deren Anwendung in zwei Bereichen der modernen Wirtschaft - fortschrittliche Fertigung und intelligente Energie (Smart Grid ).

Selbstladende Sensorgeräte

Für die Entwicklung drahtloser Sensornetzwerke ist es wichtig, das Problem ihrer Stromversorgung zu lösen. Ein vielversprechender Trend ist die Entwicklung langlebiger autonomer Geräte mit minimalem Energieverbrauch – umgewandelt aus externen Quellen.

Drahtlose Sensorgeräte können beispielsweise durch Funksignale, die von einem Sender an sie gesendet werden, mit Strom versorgt werden (wie Radiofrequenz-Identifikationsgeräte (RFID) oder kontaktlose Smartcards). Diese Energie wird von der Vorrichtung sowohl zum Aufladen des Sensors als auch zum Erzeugen eines Antwortsignals mit Informationen über den aktuellen Zustand des überwachten Objekts verwendet.

Eine andere Methode ist die passive Umwandlung von Energie aus der äußeren Umgebung (Energy Harvesting): Sonnenenergie (außerhalb des Raumes bei ziemlich klarem Wetter), Wärmeenergie, mechanische Schwingungsenergie (von in der Nähe arbeitenden Geräten - Montagemaschinen, Förderbänder usw.), Vibrationsenergie des Sensors selbst (bei tragbaren Geräten), Hintergrundfunkemissionen von umgebenden Elektrogeräten (einschließlich Wi-Fi).

Auswirkungen Durch die Reduzierung des hochgiftigen Abfalls gebrauchter Stromquellen werden die negativen Auswirkungen auf die Umwelt reduziert. Der Einsatz von selbstaufladenden Sensorgeräten wird zur Entwicklung von drahtlosen Geräten des "Internet der Dinge", der personalisierten Medizin (tragbare und implantierbare Geräte zur Überwachung der Gesundheitsindikatoren) sowie umweltfreundlicher Technologien (grüne Technologien) im Energiebereich beitragen , Industrie (insbesondere in explosionsgefährdeten Industrien) und anderen Bereichen. ...

Marktschätzungen 30,1 Milliarden Bis 2020 wird es weltweit 30,1 Milliarden drahtlose Geräte geben. Der potenzielle Anteil von Selbstladegeräten wird 30–65 % erreichen. Die maximale Manifestation des Trends wird in den Jahren 2020–2030 prognostiziert.

Treiber und Barrieren Durch die Miniaturisierung drahtloser Geräte und deren Kostenreduzierung nimmt die Relevanz des Trends stetig zu. Die Entwicklung in diese Richtung wird durch die unzureichende Energiemenge, die in den aktuellen Modellen von drahtlosen Sensoren aus der äußeren Umgebung umgewandelt wird, behindert, die erforderlich ist, um den Zustand komplexer Geräte zu überwachen und regelmäßig Informationen an das Rechenzentrum zu senden.

Implementierung einer fortschrittlichen Produktion auf Basis von drahtlosen Sensornetzwerken

Unangemessene Verwendung von Ressourcen und Produktionsanlagen, Erzeugung einer großen Menge umweltschädlicher Abfälle, fehlende ständige Überwachung des Zustands der Anlagen in Unternehmen - diese und andere Probleme der modernen Industrie stimulieren den Übergang zum fortschrittlichen Fertigungsmodell. Sie zeichnet sich durch den Einsatz neuer Materialien und umweltfreundlicher Technologien (grüne Technologien) sowie den weit verbreiteten Einsatz von IKT und intelligenten Systemen, insbesondere Robotik und drahtlosen Sensornetzen, aus.

Industrial Wireless Sensor Networks (IBSS) sind der wichtigste Faktor bei der Umsetzung einer fortschrittlichen Produktion. Um den Zustand von Objekten im Unternehmen (Ausrüstung, Förderbänder, Montagemaschinen, Reaktoren) zu steuern und zu überwachen, wird eine Reihe von miteinander verbundenen drahtlosen Sensoren und Informationssystemen verwendet, die Daten von Sensoren verarbeiten und über Steuergeräte mit gesteuerten Objekten interagieren. Ein solches automatisiertes System reagiert auf jede Änderung der Indikatoren im Unternehmen, benachrichtigt das Personal über Unfälle und Problemsituationen, analysiert die Effizienz des Geräteeinsatzes, bewertet den Grad der Umweltverschmutzung und das Abfallaufkommen.

Auswirkungen Die Einführung einer fortschrittlichen Produktion wird die Effizienz, Genauigkeit und Flexibilität der Prozesssteuerung in großen Unternehmen und die Qualität der Produkte erhöhen, Fragen der Ressourcenoptimierung lösen und Engpässe identifizieren. Die Minimierung von Risiken in der Produktion (aufgrund der stärkeren Automatisierung) und die Reduzierung von Emissionen werden die industrielle Umweltbelastung deutlich reduzieren.

Marktschätzungen 3,8 Milliarden US-Dollar wird 2017 die Marktgröße industrieller drahtloser Sensornetzwerke erreichen. Die massive Verbreitung von ISBS wird für 2017–2020 prognostiziert.

Treiber und Barrieren Die Entwicklung selbstladender Sensorgeräte, der Übergang zur digitalen Steuerung von Produktionsanlagen und die massive Einführung von Robotersystemen beflügeln die Entwicklung des Trends. Unzureichende Standardisierung drahtloser Sensornetzwerke, veraltete ICT-Infrastruktur in vielen Industrieunternehmen verlangsamen den Übergang zu einem fortschrittlichen Produktionsmodell.

Smart Grids

Das globale Problem der irrationalen Nutzung von Elektrizität ist für Russland besonders dringlich. Hohe Stromerzeugungskosten erhöhen die Produktionskosten, was den Endverbraucher doppelt belastet. Um die Effizienz und Zuverlässigkeit von Stromsystemen zu verbessern, setzen viele Länder auf das Smart-Grid-Konzept.

Ein solches Netz kontrolliert in Echtzeit alle daran angeschlossenen Erzeugungsquellen, Übertragungs- und Verteilungsnetze und Objekte, die Strom verbrauchen. Um das „intelligente“ Stromnetz zu steuern, werden drahtlose Sensornetzwerke verwendet, die die Menge der Energieproduktion und des Energieverbrauchs in verschiedenen Teilen davon steuern. Mithilfe von Informationssystemen wird die optimale Energieverteilung im Netz berechnet, Prognosen für unterschiedliche Jahreszeiten und Tageszeiten erstellt, Energieerzeugung und -lieferung synchronisiert und die Sicherheit von Stromleitungen überwacht. Um die Effizienz des Stromnetzes zu erhöhen, werden seine unkritischen Elemente für die Zeit der reduzierten Aktivität abgeschaltet.

Auswirkungen Die kontinuierliche Überwachung und Steuerung der Geräte im Stromnetz reduziert die Zahl der Stromausfälle. Erhebliche Kosteneinsparungen bei der Produktion führen zu positiven Auswirkungen für die Industrie, den sozialen Bereich und die Umwelt (in Russland beträgt der Anteil der Energie an der Luftverschmutzung jetzt 26,8% - der Höchstwert im Vergleich zu anderen Bereichen).

Marktschätzungen 63 Milliarden US-Dollar Bis 2020 wird das Volumen des Weltmarktes für Smart-Power-Grid-Technologien eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von mehr als 8 % erreichen. 2018–2025 - der Zeitraum der maximalen Manifestation des Trends.

Treiber und Barrieren Die Einführung strengerer Umweltauflagen und -standards beschleunigt den Trend. Der richtige Zeitpunkt für die Einführung von Smart Grid in Russland ist die geplante Erneuerung der Infrastruktureinrichtungen der Stromwirtschaft. Der Übergang zum Smart-Grid-Konzept wird durch die Größe der Branche, die hohen Kosten und den erheblichen Zeitaufwand für die technologische Aufrüstung erschwert. Regelmäßige Kraftwerksstillstände bei der Modernisierung von Stromnetzen stellen Verbraucherunternehmen vor ein Problem.

Das Monitoring globaler technologischer Trends wird vom Institut für Statistische Studien und Wissensökonomik der Hochschule für Wirtschaft () im Rahmen des HSE-Programms für Grundlagenforschung durchgeführt.

Bei der Erstellung des Trendletters wurden folgende Quellen verwendet: Prognose der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung der Russischen Föderation bis 2030(prognoz2030.hse.ru), Materialien der wissenschaftlichen Zeitschrift "Voraussicht"(foresight-journal.hse.ru), Daten Wissenschaftsnetz, Orbit, idc.com, marketandmarkets.com, wintergreenresearch.com, greentechmedia.com, greenpatrol.ru usw.

Typische Architektur eines drahtlosen Sensornetzwerks

Drahtloses Sensornetzwerk ist ein verteiltes, selbstorganisierendes Netzwerk aus vielen Sensoren (Sensoren) und Aktoren, die über einen Funkkanal miteinander verbunden sind. Darüber hinaus kann der Abdeckungsbereich eines solchen Netzwerks von mehreren Metern bis zu mehreren Kilometern reichen, da Nachrichten von einem Element zu einem anderen weitergeleitet werden können.

Geschichte und Anwendungsbereich

Als einer der ersten Prototypen des Sensornetzwerks kann das SOSUS-System angesehen werden, das zur Erkennung und Identifizierung von U-Booten entwickelt wurde. Die Technologie der drahtlosen Sensornetzwerke begann sich vor relativ kurzer Zeit aktiv zu entwickeln - Mitte der 90er Jahre. Die Entwicklung der Mikroelektronik machte es jedoch erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts möglich, eine recht billige Elementbasis für solche Geräte herzustellen. Moderne drahtlose Netzwerke basieren hauptsächlich auf dem ZigBee-Standard. Eine beträchtliche Anzahl von Industrien und Marktsegmenten (Fertigung, verschiedene Transportarten, Lebenserhaltung, Sicherheit), die für die Implementierung von Sensornetzwerken bereit sind, und diese Zahl nimmt ständig zu. Der Trend ist auf die zunehmende Komplexität technologischer Prozesse, die Entwicklung der Produktion, den wachsenden Bedarf von Einzelpersonen in den Sicherheitssegmenten, die Ressourcenkontrolle und die Verwendung von Lagerbeständen zurückzuführen. Mit der Entwicklung von Halbleitertechnologien treten neue praktische und theoretische Probleme im Zusammenhang mit der Anwendung von Sensornetzen in Industrie, Wohnungs- und Kommunalwirtschaft sowie Haushalten auf. Der Einsatz kostengünstiger drahtloser Sensorgeräte zur Parameterkontrolle eröffnet neue Anwendungsgebiete für Telemetrie- und Kontrollsysteme, wie zum Beispiel:

• Rechtzeitige Erkennung möglicher Ausfälle von Aktoren durch Überwachung von Parametern wie Vibration, Temperatur, Druck usw .;
• Echtzeit-Zugriffskontrolle auf entfernte Systeme des Überwachungsobjekts;
  • Gewährleistung des Schutzes musealer Werte
  • Abrechnung von Exponaten
  • automatische Überarbeitung von Exponaten
• Automatisierung der Inspektion und Wartung von Industrieanlagen;
• Kommerzielle Vermögensverwaltung;
• Anwendung als Komponenten in energie- und ressourcensparenden Technologien;
• Überwachung ökologischer Parameter der Umwelt

Es sei darauf hingewiesen, dass trotz der langen Geschichte von Sensornetzwerken das Konzept des Aufbaus eines Sensornetzwerks noch nicht endgültig Gestalt angenommen hat und nicht in bestimmten Software- und Hardware-(Plattform-)Lösungen zum Ausdruck kommt. Die Implementierung von Sensornetzwerken in der jetzigen Phase hängt stark von den spezifischen Anforderungen der industriellen Aufgabenstellung ab. Die Architektur-, Soft- und Hardwareimplementierung befindet sich im Stadium der intensiven Technologiebildung, die die Aufmerksamkeit der Entwickler auf sich zieht, um eine technologische Nische für zukünftige Hersteller zu finden.

Technologien

Drahtlose Sensornetzwerke (WSN) bestehen aus Miniaturcomputergeräten - Mots, die mit Sensoren (Sensoren für Temperatur, Druck, Beleuchtung, Vibrationspegel, Standort usw.) und Signaltransceivern ausgestattet sind, die in einer bestimmten Funkreichweite arbeiten. Flexible Architektur, reduzierte Installationskosten heben die Funknetzwerke von smarten Sensoren von anderen drahtlosen und kabelgebundenen Kommunikationsschnittstellen ab. Gerade bei einer großen Anzahl miteinander verbundener Geräte ermöglicht das Sensornetzwerk die Anbindung von bis zu 65.000 Geräten. Die stetig sinkenden Kosten für drahtlose Lösungen und die Erhöhung ihrer Betriebsparameter ermöglichen es uns, uns schrittweise von kabelgebundenen Lösungen hin zu Systemen zur Erfassung telemetrischer Daten, Ferndiagnose und Informationsaustausch zu orientieren. Das "Sensornetzwerk" ist heute ein etablierter Begriff (engl. Sensornetzwerke), bezeichnet ein verteiltes, selbstorganisierendes, ausfallsicheres Netzwerk von unbeaufsichtigten Geräten, die keine spezielle Installation erfordern. Jeder Knoten des Sensornetzwerks kann verschiedene Sensoren zur Überwachung der äußeren Umgebung, einen Mikrocomputer und einen Funk-Transceiver enthalten. Dadurch kann das Gerät Messungen durchführen, selbstständig erste Datenverarbeitungen durchführen und die Kommunikation mit einem externen Informationssystem aufrechterhalten.

802.15.4 / ZigBee-Relaistechnologie mit kurzer Reichweite, bekannt als Sensornetzwerke. WSN - Drahtloses Sensornetzwerk) ist einer der modernen Trends in der Entwicklung selbstorganisierender fehlertoleranter verteilter Systeme zur Überwachung und Verwaltung von Ressourcen und Prozessen. Die drahtlose Sensornetzwerktechnologie ist heute die einzige drahtlose Technologie, mit der betriebszeitkritische Überwachungs- und Steuerungsaufgaben gelöst werden können. Die zu einem drahtlosen Sensornetzwerk zusammengefassten Sensoren bilden ein geografisch verteiltes selbstorganisierendes System zur Erfassung, Verarbeitung und Übermittlung von Informationen. Der Hauptanwendungsbereich ist die Steuerung und Überwachung von gemessenen Parametern von physischen Medien und Objekten.

Der übernommene Standard IEEE 802.15.4 beschreibt die Zugriffskontrolle auf den drahtlosen Kanal und die physikalische Schicht für drahtlose Personalnetze mit niedriger Geschwindigkeit, dh die beiden unteren Schichten gemäß dem OSI-Netzmodell. Die "klassische" Sensornetzwerkarchitektur basiert auf einem typischen Knoten, der ein Beispiel für einen typischen RC2200AT-SPPIO-Knoten enthält:

• Funkweg;
• Prozessormodul;
• Batterie;
• verschiedene Sensoren.

Ein typischer Knoten kann durch drei Arten von Geräten dargestellt werden:

• Netzwerkkoordinator (FFD - Fully Function Device);
  • führt die globale Koordination, Organisation und Einstellung von Netzwerkparametern durch;
  • der komplexeste der drei Gerätetypen, der den meisten Speicher und die meiste Stromversorgung benötigt;

• Voll funktionsfähiges Gerät (FFD);
  • 802.15.4 unterstützen;
  • zusätzlicher Speicher- und Stromverbrauch ermöglicht es Ihnen, als Netzwerkkoordinator zu fungieren;
  • Unterstützung für alle Arten von Topologien (Punkt-zu-Punkt, Stern, Baum, Netz);
  • die Fähigkeit, als Koordinator des Netzwerks zu fungieren;
  • die Möglichkeit, auf andere Geräte im Netzwerk zuzugreifen;
• (RFD – Gerät mit eingeschränkter Funktion);
  • Unterstützt einen begrenzten Satz von 802.15.4-Funktionen;
  • Unterstützung für Topologien "Punkt-zu-Punkt", "Stern";
  • fungiert nicht als Koordinator;
  • kontaktiert den Netzwerkkoordinator und Router;

Notizen (Bearbeiten)

1. 1 2 3 Ragozin DV Modellierung synchronisierter Sensornetzwerke. Programmierprobleme. 2008. Nr. 2-3. Sonderlizenz - 721-729 p.
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3. Levis P., Madden S., Polastre J. und Dr. „TinyOS: Ein Betriebssystem für drahtlose Sensornetzwerke“ // W. Weber, J.M. Rabaey, E. Aarts (Hrsg.) // In Ambient Intelligence. - New York, NY: Springer-Verlag, 2005 .-- 374 p.
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6. Vollständig fertige ZigBee-Module von RadioCrafts. - kit-e.ru/articles/wireless/2006_3_138.php // Komponenten und Technologien.
7. ZigBee / 802.15.4-Protokollstack auf der Freescale Semiconductor-Plattform - www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_STKARCH_OV.ppt, 2004

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Diese Zusammenfassung basiert auf

Die Unternehmensversion der Internet of Things (IoT)-Technologie wird heute in der Industrie aktiv eingesetzt. Das Enterprise Internet of Things (EIoT) nutzt drahtlose Sensornetzwerke und Steuerungen, um Unternehmen neue Wege zur Verwaltung von Maschinen und Geräten zu eröffnen. Funksensoren, die mit einer kleinen Batterie betrieben werden, ohne an eine kabelgebundene Stromversorgung angeschlossen zu sein, können in industriellen Umgebungen an Orten platziert werden, die für frühere Steuerungsgenerationen völlig unzugänglich sind.

EIoT hat die Zuverlässigkeit, Sicherheit und komplexe Interoperabilität von Systemen und Geräten erhöht, wodurch die strengsten Anforderungen an die Implementierung von drahtlosen Technologien in diesem Bereich nicht nur in der Industrie, sondern auch im Gesundheitswesen, bei Finanzdienstleistungen usw . dass die technischen Eigenschaften und Designelemente der Technologiegeräte dieser neuen Richtung denen der IoT-Technologien herkömmlicher Geräte, die für weniger kritische Verbraucher- oder kommerzielle Anwendungen bestimmt sind, weit überlegen sind.

EIoT-Probleme

EIoT-fähige Sensoren und Steuerungen können im industriellen Umfeld fast überall funktionieren, aber bisher war es eher Glückssache, denn nicht jedes industrielle Gerät ist ideal für den Einsatz in drahtlosen Netzwerken. Dies liegt daran, dass es zwei miteinander verbundene, aber scheinbar widersprüchliche Elemente bei der IoT-Bereitstellung gibt:

1. Direkt das drahtlose Netzwerk der Geräte selbst, das über Sensoren und Steuerungen in Verbindung mit Nahbereichstechnologie mit geringem Stromverbrauch aufgebaut wird.
2. Ein Netzwerk von IoT-Sensoren, das mit anderen Geräten, Controllern und Teilen des Netzwerks in größerer Entfernung interagiert.

Reis. 1. Anwendungen, die weit von urbanen Zentren und traditionellen Telekommunikationsdiensten entfernt sind, können ein so energieeffizientes Kommunikationsprotokoll wie LoRa verwenden, um ein globales Netzwerk zu organisieren.

Es ist die Unmöglichkeit einer zuverlässigen Kommunikation über große Entfernungen, die im industriellen Umfeld oft das größte Hindernis darstellt. Dieses Problem hat einen einfachen Grund: Telekommunikation, die über drahtgebundene Kabeltrassen oder über die Signalübertragung durch Mobilfunkmasten erfolgt, ist an Industrieanlagen nicht immer verfügbar. Darüber hinaus ist der Aufwand, mit Mobilfunkdiensten nur mehrere Datenpakete von Sensoren in einer Kommunikationssitzung zuzustellen, sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus rein technischen Gründen nicht sinnvoll. Darüber hinaus tritt häufig das Problem der Stromversorgung von Sensoren und Kommunikationsgeräten auf, die an abgelegenen Orten, an denen Geräte oder Infrastruktur nicht direkt aus dem Industrienetz gespeist werden, sehr schwer zu organisieren ist.

Trotz der breiten Mobilfunkabdeckung der Siedlungen gibt es an manchen Orten keinen zuverlässigen Dienst für die Organisation der drahtlosen Kommunikation. Dies ist ein häufiges Problem in ländlichen Gebieten und abgelegenen Standorten von Industrieanlagen, zum Beispiel separat aufgestellten Anlagen für die Öl- und Gasindustrie oder Pipeline-Transport, Wasserver- und Abwasserentsorgungssysteme (Abb. 1) usw. Solche Knoten sind auch häufig weit entfernt vom nächsten Wartungspersonal, das die korrekte Funktion der Instrumente überprüft. Manchmal braucht ein Ingenieur einen ganzen Tag oder sogar mehrere, um an die Ausrüstung zu kommen und sie zu inspizieren. Es ist oft schwierig und einfach, Spezialisten zu finden, die bereit sind, in solch abgelegenen Gebieten zu arbeiten. Da Sensoren und Steuerungen mit EIoT-Unterstützung aufgrund der begrenzten Kommunikationsabdeckung an abgelegenen Standorten eher selten sind, kommt hier ein Low-Power-Wide-Area-Network (LPWAN) zum Einsatz.

BLE und LPWAN

Die am weitesten verbreitete Funktechnologie mit kurzer Reichweite in EIoT-Systemen ist die Bluetooth Low Energy (BLE)-Technologie. Der Hauptgrund für die hohe Popularität von BLE für EIoT ist die Energieeffizienz, die Sensoren und Steuerungen einen langen Betrieb mit sehr geringem Batterieverbrauch ermöglicht. BLE verwaltet Schlafzyklen, Standby und aktive Zyklen. BLE ist auch wegen seiner HF-Signalstärke weit verbreitet, wodurch diese Technologie auch in schwierigen Umgebungen mit hohem HF-Rauschen, digitalen Signalen von Computergeräten und sogar physischen Hindernissen für die Funkausbreitung effektiv arbeiten kann. Aber all diese Faktoren sind bekanntlich aus dem industriellen Umfeld bekannt.

In Projekten zur Umsetzung von EIoT ist die BLE-Technologie die Grundlage für die Organisation der Kurzstreckenkommunikation. Darüber hinaus kann es sowohl an bereits betriebenen als auch an nur noch konzipierten Industrieanlagenkomplexen eingesetzt werden. Ein solches Netzwerk von BLE-fähigen Geräten benötigt jedoch eine Möglichkeit, Anweisungen zu empfangen und Daten über größere Entfernungen weiterzuleiten. Es ist nicht möglich, sich auf eine herkömmliche Telekommunikationsinfrastruktur zu verlassen, die bidirektionale Wi-Fi- oder Mobilfunksignale zulässt, da die Nutzung dieser Sensor- und Kontrollnetzwerke durch Barrieren eingeschränkt wird. Durch die Kombination von BLE mit der ultrahohen Reichweite und Energieeffizienz der LoRa-Technologie konnten Unternehmen EIoT an Orten einsetzen, an denen Telekommunikations- und Strominfrastruktur nicht verfügbar waren, was wiederum die Geografie der IoT-Implementierung erweiterte.

Reis. 2. Sensoren werden zuerst mit dem LoRa-Client und dann über das LoRa-Gateway verbunden

Das LoRa WAN-Protokoll wird oft LPWAN genannt, da es über viele Jahre hinweg eine sichere bidirektionale Datenübertragung und Fernkommunikation mit IoT-Netzwerken ohne Batteriewechsel ermöglicht. Bei Verwendung der LoRa-Technologie wird es möglich, Signale in einer Entfernung von etwa 16 km zu senden und zu empfangen, und gegebenenfalls installierte Repeater (Repeater) können diese Entfernung auf Hunderte von Kilometern erhöhen. In Abb. 2 zeigt ein Diagramm der Funktionsweise von LoRa. Für IoT-Anwendungen bietet LoRa gerade aufgrund seiner wirtschaftlichen Eigenschaften und Fähigkeiten viele Vorteile:

• Da LoRa wie BLE eine Ultra-Low-Power-Technologie ist, kann es in batteriebetriebenen IoT-Netzwerken betrieben werden und kann eine lange Batterielebensdauer ohne häufige Wartung bieten.
• Auf der LoRa-Technologie basierende Knoten sind kostengünstig und ermöglichen es Unternehmen, die Kosten für die Datenübertragung über Mobilfunksysteme zu senken und die Installation von Glasfaser- oder Kupferkabeln überflüssig zu machen. Dadurch wird das wichtigste finanzielle Hindernis für die Kommunikation zwischen entfernt angeordneten Sensoren und Geräten beseitigt.
• Die LoRa-Technologie funktioniert gut mit Indoor-Netzwerkgeräten, auch in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.
• LoRa ist durch die Unterstützung von einer Million Knoten hoch skalierbar und interoperabel und kann mit öffentlichen und privaten Datennetzen und bidirektionalen Kommunikationssystemen verbunden werden.

Während also andere LPWAN-Technologien das Problem der Kommunikationsreichweite bei der Umsetzung von Internet-of-Things-Lösungen langfristig nur lösen können, bietet die LoRa-Technologie hierfür bidirektionale Kommunikation, Entstörung und High Content.

LoRa hat auch einen erheblichen Nachteil - geringe Bandbreite. Dies macht es für Streaming-Anwendungen ungeeignet. Diese Einschränkung hindert sie jedoch nicht daran, sie für verschiedenste IoT-Anwendungen einzusetzen, bei denen nur zeitweise kleine Datenpakete übertragen werden.

Interaktion

Reis. 3. RM1xx-Modul von Laird, das Kommunikationsfähigkeiten für LoRa- und Bluetooth-Funkprotokolle enthält

In Kombination mit Technologien wie BLE verdoppelt sich das Potenzial von LoRa. Zusammen bieten sie eine Reihe von drahtlosen Funktionen mit extrem geringem Stromverbrauch für die Kurz- und Langstreckenkommunikation, die die Fähigkeiten von EIoT-Netzwerken verbessern. Mit wenigen LoRaWAN-Gateways, die das Rückgrat von BLE-Sensornetzwerken bilden, die nicht mehr von traditionellen Tabhängig sind, lassen sich beispielsweise zentrale Stadtgebiete abdecken. Somit beseitigt die Symbiose von LoRa und BLE eine Reihe von Hindernissen für die Verbreitung des IoT sowohl in Ballungsräumen als auch in Kleinstädten, die Hindernisse für die breite Einführung des Internets der Dinge haben. Die größten Vorteile aus der Kombination von LoRA und BLE ergeben sich jedoch aus drahtlosen Sensoren, Steuerungen und anderen Geräten, die jetzt buchstäblich überall ohne Einschränkungen installiert werden können (Abbildung 3). Dies ist ein besonderer Verdienst von BLE. BLE ermöglicht es diesen Geräten auch, in einem integrierten Nahbereichsnetzwerk zusammenzuarbeiten, gesteuert beispielsweise von Smartphones oder Tablets, die in diesem Fall als drahtlose Remote-Displays verwendet werden. In diesem Bundle fungiert die auf den mobilen Fähigkeiten von BLE basierende LoRa-Technologie als eine Art Richtfunkstation, die Daten über große Entfernungen senden und empfangen kann. Außerdem können diese Distanzen durch einfache Gateways zur Signalübertragung vergrößert werden.

Es gibt bereits viele anschauliche Beispiele, die zeigen, wie die Paarung von LoRa und BLE es ermöglicht, EIoT-Netzwerke auf ein völlig anderes technisches Niveau zu bringen und ihren Ausbau zu steigern.

Kireev A.O., Svetlov A.V. DRAHTLOSE SENSORNETZWERKE IM BEREICH SICHERHEITSTECHNOLOGIEN

Der etablierte Begriff „Wireless Sensor Network“ (WSS) bezeichnet eine neue Klasse von Funksystemen, die ein verteiltes, selbstorganisierendes und ausfallsicheres Netzwerk von elektronischen Miniaturgeräten mit autarker Stromversorgung darstellen. Intelligente Knoten eines solchen Netzwerks können Nachrichten entlang der Kette weiterleiten, wodurch ein erheblicher Abdeckungsbereich des Systems mit geringer Sendeleistung und damit eine hohe Energieeffizienz des Systems bereitgestellt wird.

Derzeit wird der Organisation der automatisierten Überwachung von Gebieten große Aufmerksamkeit geschenkt, um operative Informationen über die Anwesenheit eines Eindringlings, seine Bewegung und unerlaubte Handlungen in Gebieten zu erhalten, die an besonders wichtige (nukleare, staatliche, militärische) Einrichtungen angrenzen, um die Staatsgrenze oder im Zuständigkeitsbereich gelegen Aufklärungsunterteilungen (Überwachung von Frontabschnitten, rückwärtige Kommunikation des Feindes). Zur rationalen Lösung dieser Probleme ist es notwendig, eine neue Generation von technischen Mitteln und Algorithmen einzusetzen, die sich grundlegend von den derzeit verwendeten unterscheiden. Die vielversprechendste Richtung in diesem Bereich ist der Aufbau drahtloser Sensornetzwerke. Sie ermöglichen eine gezielte Gesamtüberwachung großer Flächen.

Bei Sicherungssystemen für Objekte muss die BSU den Eindringling erkennen und klassifizieren, die Koordinaten bestimmen und die Bewegungsbahnen seiner Bewegung vorhersagen. Mit verteilter Intelligenz sorgt das System selbstständig für eine Richtungsänderung von Informationsflüssen, beispielsweise unter Umgehung ausgefallener oder temporär außer Betrieb befindlicher Knoten, organisiert einen zuverlässigen Informationstransfer im gesamten Kontrollbereich und an die zentrale Stelle.

Ebenfalls vielversprechend sind BSS, bei denen der Transceiver jedes Sensors tatsächlich ein Objekterkennungssensor ist (der Effekt der Reduzierung des Trägerpegels im Funkkanal aufgrund des Erscheinens eines Objekts im Netzabdeckungsbereich).

Um eine hohe Zuverlässigkeit und den Schutz der übertragenen Informationen im BSS zu gewährleisten, ist es notwendig, eigene Funkprotokolle zu entwickeln, die gegen Änderungen der Eigenschaften des Kommunikationskanals, Funkunterdrückung, Abfangen und Nachahmen von Daten resistent sind. In diesem Fall empfiehlt es sich, Spread-Spectrum-Technologien zu verwenden - DSSS (Direct Number Sequence) und FHSS (Frequency Hopping) Verfahren.

Was die Zugriffsmechanismen auf das Datenübertragungsmedium betrifft, so ergeben sich sich gegenseitig ausschließende Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz des Systems und minimale Zeitverzögerungen bei der Verbreitung von Daten in der FSU. Die Verwendung von CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) als Basisalgorithmus hat einen Nachteil - die Netzwerkgeräte müssen sich im ständigen Hörmodus befinden, was zu einem erhöhten Stromverbrauch führt. In vollständig asynchronen Netzen ist dieser Algorithmus unwirksam.

Am akzeptabelsten in dieser Situation ist der "Slot"-CSMA/CA-Algorithmus, der die Prinzipien des synchronisierten Zugriffs (TDMA-Zeitteilung) und des Zugriffs auf Wettbewerbsbasis kombiniert.

Von den offenen Standards im Bereich drahtloser Sensornetzwerke wurde nur der ZigBee-Standard ratifiziert, der auf dem zuvor verabschiedeten 802.15.4-Standard basiert, der den Physical Layer (PHY) und den Medium Access Layer (MAC) für den drahtlosen persönlichen Bereich beschreibt Netzwerke (WPAN). Diese Technologie wurde ursprünglich für Aufgaben entwickelt, die keine hohen Datenübertragungsraten erfordern. Geräte solcher Netze sollen möglichst günstig sein und dabei möglichst wenig Energie verbrauchen.

Zu den unbestrittenen Vorteilen von ZigBee-Lösungen gehören erhebliche Nachteile. Beispielsweise reduziert das Vorhandensein von drei verschiedenen Geräteklassen (Koordinatoren, Router und Endgeräte) die Fehlertoleranz des Netzes beim Ausfall einzelner Elemente deutlich. Darüber hinaus erfordert eine solche Konstruktion die Planung der Platzierung von Geräten in der Entwurfsphase des Systems, dementsprechend wird die Widerstandsfähigkeit des Netzwerks gegen Topologieänderungen stark reduziert.

Mesh-Netzwerke – Peer-to-Peer-Netzwerke mit mehreren Zellen, in denen jeder Knoten während des Zustellungsprozesses Pakete weiterleiten kann – weisen all diese Nachteile nicht auf. Die Knoten eines solchen Netzwerks sind gleich und austauschbar – dadurch wird die Skalierbarkeit des Systems verbessert und seine Fehlertoleranz erhöht.

Das drahtlose Sensornetzwerk des Sicherheitssystems soll einen möglichst großen Bereich überwachen. In diesem Zusammenhang ist eine der Hauptanforderungen für die Auswahl einer Elementbasis zum Erstellen eines Funkkanals zwischen einzelnen Netzknoten die maximale Kommunikationsreichweite. Der Betrieb im 433 MHz-Frequenzbereich (in Russland zur freien Nutzung geöffnet) hat gegenüber dem Betrieb im 2,4-GHz-Mikrowellenbereich (für den der Hauptbereich der ZigBee-Geräte produziert wird) eine Reihe von Vorteilen. Damit ist im 433 MHz-Bereich die Reichweite der zuverlässigen Kommunikation bei gleicher Sendeleistung um ein Vielfaches größer als im 2,4-GHz-Bereich. Darüber hinaus haben Geräte, die im 433-MHz-Band arbeiten, eine ziemlich gute Beständigkeit gegenüber Hindernissen auf dem Weg der Funkwellenausbreitung, wie Wetterniederschläge, Geländeänderungen, Bäume usw. 433-MHz-Funkwellen breiten sich in engen Räumen wie U-Bahnen viel besser aus Tunnel, Stadtstraßen usw. als die 2,4-GHz-Funkwellen. Der Vorteil des 2,4-GHz-Bandes bei der Datenübertragungsgeschwindigkeit ist im Bereich der Sicherheitstechnologien unkritisch, da die übertragene Informationsmenge normalerweise unbedeutend und auf Dutzende von Bytes begrenzt ist (mit Ausnahme der Telemetrie).

So wird die Wahl des Transceivers für den BSS-Standort zum Schutz von Objekten im Bereich von 433 MHz erfolgen. Transceiver müssen eine hohe Energieeffizienz aufweisen (Versorgungsspannung nicht mehr als

3,3 V, geringe Stromaufnahme), arbeiten in einem Temperaturbereich von minus 40 ... +85 ° C.

Unter den vielen ICs für ISM-Transceiver nehmen die XE-MICS-Transceiver eine Sonderstellung ein. Für den Einsatz in drahtlosen Sensornetzwerken sind 2 Chips dieser Firma geeignet: XE1203F und

Dabei handelt es sich um integrierte Single-Chip-Halbduplex-Zero-IF-Transceiver, die 2-Level-Phase-Shift-Frequency-Shift-Keying (CPFSK) und NRZ-Codierung bieten. Somit ermöglicht die in XEMICS-Transceivern implementierte Art der Trägermodulation eine effiziente Nutzung des Betriebsfrequenzbandes.

Den Transceivern XE1203F und XE1205F gemeinsam ist eine extrem niedrige Leistungsaufnahme: Betrieb im Versorgungsspannungsbereich von 2,4 ... 3,6 V, Aufnahmeströme:

0,2 μA im Schlafmodus;

14 mA im Empfangsmodus;

62 mA im Sendemodus (+15 dBm).

Arbeitsfrequenzband: 433-435 MHz. Temperaturbereich: minus 40. + 85 ° C. Transceiver

Glaubensrichtungen sind untereinander identisch und werden nach dem Schema mit direkter Frequenzumsetzung aufgebaut. In diesen Modulen befindet sich ein Frequenzsynthesizer basierend auf einer Sigma-Delta-PLL mit einer Schrittweite von 500 Hz.

Die Empfänger sind mit einer RSSI-Anzeige (Received Signal Strength Indicator) ausgestattet, die es Ihnen in Kombination mit der programmierbaren Ausgangsleistung ermöglicht, die Idee des adaptiven Energiemanagements umzusetzen. Der Transceiver enthält ein Frequenzsteuergerät FEI (Frequency Error Indicator), mit dem Sie Informationen über den Frequenzoffset des lokalen Oszillators des Empfängers erhalten und AFC organisieren können.

Die Transceiver verfügen außerdem über eine Mustererkennung, die es dem Transceiver ermöglicht, ein programmiertes Wort (bis zu 4 Byte) im empfangenen Datenstrom zu erkennen. Das letzte Merkmal kann verwendet werden, um Module im BSS zu identifizieren, wodurch die Anzahl der Dienstbytes im übertragenen Paket reduziert wird.

Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Modulen liegen in der Verwendung unterschiedlicher Spread-Spectrum-Techniken.

Der Transceiver XE1203F verfügt über ein Hardware-Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Wenn der DSSS-Modus aktiviert ist, wird jedes Datenbit mit einem 11-Bit-Barker-Code codiert: 101 1011 1000 oder 0x5B8h. Die Autokorrelationsfunktion des Barker-Codes weist einen ausgeprägten Autokorrelationspeak auf.

Im Gegensatz zum XE1203F ist der Transceiver XE1205F (und das darauf basierende DP1205F-Modul) ein Schmalbandgerät. Der kleinste mit dem 2-Bit-Konfigurationsregister einstellbare Wert des internen Bandpassfilters beträgt 10 kHz (durch spezielle Zusatzeinstellungen kann dieser Wert sogar auf 7 kHz reduziert werden!). Die Anzahl der möglichen Kanäle in diesem Fall

Diese Fähigkeit ermöglicht den Einsatz des XE1205F für spezielle Schmalbandanwendungen. Die Bandbreitenreduzierung kann verwendet werden, wenn die Baudrate und der Frequenzhub 4800 Bit bzw. 5 kHz nicht überschreiten und vorausgesetzt, dass die Taktfrequenz des Referenzoszillators durch einen Resonator mit hoher Stabilität stabilisiert wird oder Frequenzausgleich verwendet wird.

Der Transceiver verwendet einen 16-Byte-FIFO, um die gesendeten oder empfangenen Datenbytes zu speichern. Datenbytes werden vom FIFO über eine externe, standardmäßige serielle 3-Draht-SPI-Schnittstelle übertragen und empfangen.

Schmalbandig sowie eine kurze Erholzeit des Senders beim Umschalten zwischen den Kanälen (~ 150 μs) ermöglichen den Einsatz des XE1205F für den Aufbau von Funkanlagen im Frequenzsprungverfahren (FHSS). Das Frequenzsprungverfahren impliziert, dass die gesamte für die Übertragung zugeteilte Bandbreite in eine bestimmte Anzahl von Frequenzkanälen aufgeteilt wird. Sprünge von Kanal zu Kanal erfolgen synchron in einer bestimmten Reihenfolge (zB linear oder pseudozufällig).

Der Vorteil des XE1205F Transceivers ist auch die einzigartige -121 dBm Empfängerempfindlichkeit in seiner Klasse.

Was die Datenübertragungsraten angeht, sehen die Fähigkeiten des XE1203F-Moduls bei Verwendung des Barker-Codecs selbst für Sicherheitssysteme unzureichend aus - nur 1.154 kbit. Dieser Indikator wird die Implementierung einer energieeffizienten FSU nicht ermöglichen, weil die vom CSMA/CA-Protokoll bereitgestellte Ruhezeit ist zu kurz.

Die Transceiver der Knoten des drahtlosen Sensornetzwerks zum Schutz von Objekten sollten Folgendes bieten:

Erstellen eines Mesh-Netzwerks mit einer erhöhten Reichweite;

Implementierung auf physikalischer Ebene - FHSS-Spektrumspreiztechnologien;

Implementierung auf der Ebene des Zugriffs auf das Medium - "Slot" CSMA / CA mit Synchronisation des Zugriffs.

Aus den obigen Ausführungen können wir schließen, dass es vorzuziehen ist, das Transceiver-Modul XE1205F zum Organisieren der physischen und MAC-Ebene eines drahtlosen Sensornetzwerks für die Objektsicherheit zu verwenden.

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