Материал: Респективная система передачи данных по технологии ZigBee
Респективная 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…, хn. 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 Сi 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 волоконно-оптическая 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 хi 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 из-за 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].