Олегович информационно-измерительная система для мониторинга и анализа энергопотребления беспроводных сенсорных систем

На правах рукописи

КИРЕЕВ Александр Олегович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ДЛЯ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПЕНЗА 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Светлов Анатолий Вильевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Нефедьев Дмитрий Иванович;

кандидат технических наук,

Трофимов Анатолий Николаевич.

Ведущее предприятие – федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электронно-механических
приборов» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится 24 ноября 2011 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», с авторефератом – на сайте университета http://www.pnzgu.ru и на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации http://www.mon.gov.ru.

Автореферат разослан 21 октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,
профессор Смогунов В. В. 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Беспроводные сенсорные системы (БСС) представляют особый класс современных аппаратно-программных адаптивных систем. Миниатюрные, микропотребляющие устройства, объединенные в беспроводную сеть, предоставляют широкие возможности по контролю и управлению территориями, предприятиями, сооружениями. Спецификой БСС являются: автономность, работа в автоматическом режиме, адаптивность к параметрам окружающей среды и объекту мониторинга, длительный период автономной работы.

Разработка теоретических и практических вопросов, связанных с беспроводными сенсорными системами, является островостребованной многими отраслями ВПК России, в частности, необходима при создании средств охраны гражданских объектов (СОГО) и особо важных объектов (ядерных, правительственных), а также для автоматизированного мониторинга энергетических, тепловых и транспортных коммуникаций.

Среди факторов, сдерживающих развитие БСС, следует отметить недостаточное развитие методик оценки энергетической эффективности алгоритмов, а также отсутствие информационно-измерительных систем (ИИС), позволяющих контролировать параметры энергопотребления функционирующих систем. Существующие в настоящий момент стандартные ИИС позволяют получить лишь косвенные, грубые оценки действительного значения энергопотребления узлов сенсорных систем. Кроме того, особенности функционирования БСС для СОГО диктуют необходимость построения распределенных измерительных систем, обеспечивающих требуемую точность измерения в широком температурном диапазоне. Поэтому для проектирования энергоэффективных БСС исключительно важным является создание и внедрение в производство универсальных, автоматизированных, многофункциональных и быстродействующих информационно-измерительных систем, основанных на использовании последних достижений микроэлектроники и вычислительной техники.

Наиболее значимые результаты в теории и практике данного научного направления получены коллективами Института точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН (г. Москва), Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, компании ООО «Высокотехнологичные системы» (бренд «MeshLogic»), международного института инженеров электротехники и электроники IEEE, иностранных компаний National Instruments, XBee, EmberNet, Nanotron, Texas Instruments и др.

Существующие работы в области энергопотребления в основном касаются лишь теоретических вопросов построения оптимальных алгоритмов маршрутизации пакетов данных в условиях значительного и переменного по объему трафика в БСС и используют упрощенные энергетические модели. Совершенно не рассматриваются особенности аппаратной реализации узлов сенсорных систем и особенности реализации уровня доступа к среде передачи данных, которые являются определяющими с точки зрения энергопотребления для многих практических применений БСС (в том числе и систем СОГО).

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной построению информационно-измерительной системы для мониторинга и анализа энергопотребления беспроводных сенсорных систем, представляется актуальной.

Цель диссертационного исследования – создание распределенной аппаратно-программной информационно-измерительной системы для мониторинга и анализа энергопотребления беспроводных сенсорных систем.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

– определение структуры распределенной ИИС для продолжительных автоматизированных измерений параметров импульсных токов энергопотребления малой длительности для узлов БСС;

– разработка алгоритма измерения и анализа энергетических параметров БСС в автономных измерительных узлах ИИС;

– разработка аппаратной и программной части автономных измерительных узлов и базового узла распределенной ИИС для автоматизированных измерений и анализа энергетических характеристик БСС;

– создание математической модели процесса энергопотребления типового узла БСС;

– разработка алгоритма беспроводной передачи данных от измерительных узлов до базового узла распределенной ИИС, обеспечивающего хранение и расширенный сравнительный анализ результатов измерений;

– исследование динамической погрешности измерений импульсных токов с учетом автоматической смены измерительных диапазонов.

Объектом исследования является распределенная ИИС для мониторинга и анализа энергопотребления БСС, позволяющая выполнять продолжительные автоматизированные измерения в автономном режиме в полевых условиях.

Предметом исследования является структура ИИС для оптимизации энергопотребления БСС, структура автономных измерительных узлов ИИС и алгоритмы их функционирования, математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС, подсистема передачи измерительной информации внутри ИИС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории кодирования дискретной информации, системного анализа, математического анализа, теории измерений, теории электрических цепей, схемотехнического моделирования электронных схем. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, а также путем математического и схемотехнического моделирования.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Определена структура распределенной аппаратно-программной ИИС, позволяющей проводить продолжительные автоматизированные измерения и анализ параметров импульсных токов энергопотребления узлов БСС.

2. Предложены структура и схемотехническая реализация многодиапазонного датчика тока с программным управлением, обеспечивающая измерение импульсных токов в широком динамическом диапазоне.

3. Создана математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС, одновременно учитывающая параметры аппаратной и программной реализации узла, параметры алгоритма доступа к среде передачи данных, структуру и особенности построения сетевого уровня БСС.

4. Разработан алгоритм беспроводной передачи данных в распределенной ИИС, позволяющий осуществить продолжительные измерения и анализ энергопотребления узлов БСС, функционирующей в полевых условиях.

5. Разработана методика расчета динамической погрешности для измерений импульсных токов, выполненных с учетом автоматической смены измерительных диапазонов.

Практическая значимость:

1. Разработана распределенная ИИС, позволяющая измерять импульсные (длительностью от 60 мкс) и постоянные токи в интервале от 1 мкА до 1 А, и проводить анализ структуры энергопотребления узлов БСС, функционирующей в полевых условиях. Диапазон рабочих температур ИИС – от –40 до +80 °С.

2. Разработан алгоритм анализа энергетических параметров БСС в автономных измерительных устройствах, позволяющий получить развернутую информацию о профиле энергопотребления узла БСС.

3. На основе разработанной модели процесса энергопотребления типового узла БСС создана программная оболочка для ПЭВМ, входящей в состав базового узла ИИС, позволяющая на этапах проектирования алгоритмов работы БСС и отладки программного обеспечения ее узлов прогнозировать энергетические потребности разрабатываемой БСС.

4. Разработаны физический, канальный и сетевой уровни радиоканала для беспроводной передачи данных между автономными измерительными узлами ИИС, что дает возможность измерить в реальном времени энергетические затраты БСС, функционирующей длительное время, автономно, в полевых условиях эксплуатации.

На защиту выносятся:

1. Структура распределенной аппаратно-программной ИИС для продолжительных автоматизированных измерений и анализа параметров импульсных токов энергопотребления узлов БСС.

2. Структура многодиапазонного датчика тока с программным управлением, обеспечивающая измерение импульсных токов малой длительности в широком динамическом диапазоне.

3. Математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС, учитывающая параметры построения физического, канального и сетевого уровня БСС.

4. Методика расчета динамической погрешности измерений импульсных токов, обусловленной автоматической сменой измерительных диапазонов.

5. Структура и алгоритм функционирования радиоканала для беспроводной передачи измерительных данных в ИИС, характеризующийся высокой энергоэффективностью при сохранении самонастройки радиоканала и автоматического выбора маршрутов передачи измерительных данных.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы в «НИКИРЭТ» – филиале ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный, Пензенской области) при выполнении НИР и ОКР «СР-1», «Терраса-К», «БРСК», «БСК-М», «Опора», «МВС-Р», «Модуль» и других для исследования энергопотребления разрабатываемых сенсорных сетей и создания энергоэффективных алгоритмов функционирования радиосистемы передачи данных внутри БСС. Результаты исследований использованы в учебном процессе в лекционном курсе и лабораторных занятиях по дисциплине «Радиотехнические системы» на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2008, 2009, 2010), научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов центра ФСБ (г. Железнодорожный, Московской обл., 2009, 2011), IX Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации – ПТСПИ–2011» (Владимир, 2011), международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Шляндинские чтения-2010)» (Пенза, 2010), IX Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2010), XXX Межрегиональной научно-практической конференции «Датчики и системы-2011» (Пенза, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 8 печатных работ без соавторов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 166 наименований и 2 приложений. Объем работы: 173 листа машинописного текста, включающего 15 таблиц и 68 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ задач измерения энергетических характеристик беспроводных сенсорных систем и формулируются требования к разрабатываемой информационно-измерительной системе.

Приведены краткие характеристики БСС согласно модели взаимодействия открытых систем (ВОС – согласно ГОСТ Р ИСО 7498-2–99, Open Systems Interconnection, OSI). Проведен аналитический обзор и сделан вывод о том, что среди всех реально применяемых в настоящее время сенсорных систем наиболее жесткие требования к величине энергопотребления предъявляются к БСС для систем охраны объектов.

Энергопотребление БСС представляет собой сложный распределенный объект измерения, параметры которого зависят не только от аппаратной реализации узлов БСС, но и от программного обеспечения, алгоритмов работы узлов, а также свойств окружающей среды и параметров объекта мониторинга БСС. Данное положение, наряду с отсутствием стандартных средств измерения энергетических параметров БСС, диктует необходимость создания информационно-измерительной системы, решающей следующие задачи:

1. прогнозирование энергопотребления узла БСС по заданным параметрам;
2. измерение энергопотребления каждого из узлов сенсорной сети как в условиях лаборатории, так и в реальных условиях эксплуатации;
3. документирование результатов измерений для последующего анализа.

Прежде чем разрабатывать данную ИИС, необходимо провести анализ структуры энергопотребления типового узла БСС и на основании данного анализа сформулировать требования к информационно-измерительной системе.

Узлы БСС функционируют под управлением сложного внутреннего программного обеспечения, которое оказывает решающее влияние на энергетическую эффективность современных устройств. Проведены анализ и систематизация режимов работы синхронных БСС – как основного способа построения БСС для систем охраны объектов. Для типового узла БСС выявлено 15 энергетических режимов работы на сетевом, канальном и физическом уровнях согласно модели ВОС, оказывающих существенное влияние на суммарную мощность, потребляемую узлом БСС. Для проведения анализа структуры энергопотребления типового узла БСС была разработана математическая модель, одновременно учитывающая параметры аппаратной и программной реализации узла БСС, параметры алгоритма доступа к среде передачи данных, структуру и особенности построения сетевого уровня сенсорной системы. Согласно данной модели совокупная мощность , потребляемая узлом БСС, имеет вид

, (1)

где {In} – множество значений тока в установившихся режимах работы узла; {Tk} – множество длительностей установившихся режимов; {Fi} – множество частот появления установившихся режимов; {Kj(U)} – множество значений КПД преобразователей напряжения питания; TC(t) – температура окружающей среды как функция времени t ; U(t, P, {In}) – напряжение на выходе источника питания узла как функция {In}, факторов влияния окружающей среды и эксплуатационных факторов {Y}. В общем случае не равны между собой. Факторы влияния окружающей среды {Y} являются переменными величинами в зависимости от типа применяемых источников питания (для химических источников тока (ХИТ) – температура окружающей среды, для солнечных батарей – освещенность). Эксплуатационные факторы представляют собой совокупность условий хранения химических источников тока, эффект пассивации и т.д.

Для синхронного режима работы БСС, принимая значение напряжения на выходе источника питания U и температуру TC(t) неизменными величинами, выражение (1) представим в виде

(2)

где энергия, затрачиваемая: Etx – на передачу одного пакета стандартной длительности (синхропакета), Erx – на прием одного синхропакета, Ew – на подготовку перехода в рабочий режим приемопередатчика, Erw – на ожидание приема данных по эфиру в одном временном окне, Esb – на запуск кварцевого генератора приемопередатчика, Es – на обработку информации от датчика, Ewp – на выполнение операций вычислительного блока внутри узла БСС; Esp – энергия, определяемая токами утечки в режиме пониженного энергопотребления; Fb – частота передачи синхропакетов; Fr – частота временных окон ожидания приема данных по эфиру; Foc – частота передачи служебного сигнала присутствия узла в радиосети БСС; Fs – частота информационного обмена с датчиком;
Fwp – частота выполнения служебных операций вычислительного блока; Fak – частота ответа на служебный сигнал автоконтроля от ведущего устройства радиосети; Nch – количество ведомых устройств для узла БСС, выполняющего функцию ретранслятора;
Fp – частота передачи служебного пакета для носимых пультов контроля в радиосети БСС; Fm – частота потерь синхропакета; Fn – частота смены ведущего узла; Tm,
Tn – длительности нахождения в режиме ожидания синхропакета и в режиме смены ведущего узла соответственно; Trx – длительность нахождения в режиме приема синхропакета; Fa – частота передачи информационных пакетов в сутки; Ktx, Krx – коэффициенты превышения длины информационного пакета над синхропакетом для режимов передачи и приема соответственно; Nnd – общее количество ведомых устройств в ветви радиосети; Fc – частота передачи широковещательных пакетов команд; FHZ – частота, определяемая длительностью временного интервала обмена между ведущим и ведомым узлом БСС; Kper – коэффициент, определяющий уровень ошибочного приема информационных пакетов.

Значения Etx, Erx, Ew, Erw, Esb, Es, Ewp, Esp определяются по техническим характеристикам выбранной схемотехнической реализации узла БСС (по токам потребления приемопередатчика, управляющего микропроцессора, времени выхода в режим радиоприема/передачи и т.п.), выбранным основным параметрам физического уровня БСС (скорости передачи данных по радиоканалу, объему служебных данных и т.п.); Fm, Fn, Kper – по вероятностным характеристикам канала радиосвязи между узлами БСС; остальные параметры – по характеристикам канального и сетевого уровня БСС.

Например, для параметров сенсорной сети (разработанной в рамках НИР, проводимых ФГУП «НИКИРЭТ») U = 3,6 B, Etx = 430 нВт · ч, Erx = 155 нВт · ч, Ew = 12,3 нВт · ч, Erw = 101 нВт · ч, Esb = 9,6 нВт · ч, Es = 3,95 нВт · ч, Ewp = 2 нВт · ч, Esp = 90 нВт · ч,
Fb = 0,25 Гц, Fr = 5 Гц, Foc = 0,05 Гц, Fs = 3 Гц, Fwp = 33 Гц, Fak = 0,017 Гц,
Fp = 0,017 Гц, Fm = 116·10–6 Гц, Nnd = 20, Fn = 23 · 10–6 Гц, Tm = 7 c, Tn = 60 c,
Trx = 9,73·10–3 c, Fa = 833 · 10–6 Гц, Ktx = 0,41, Krx = 0,26, Nch = 10, Fc = 81 · 10–6 Гц,
FHZ = 1 Гц, Kper = 0,99, суммарная потребляемая мощность составила Pобщ 4,1 мВт.

Разработанная математическая модель позволила сформулировать требования к многофункциональной аппаратно-программной ИИС для мониторинга и анализа энергопотребления узлов БСС:

1. математическое моделирование и расчет энергопотребления узлов БСС по заданным пользователем параметрам алгоритмов работы и аппаратной конфигурации узла;
2. автоматическое выделение и расчет параметров (длительности, скважности, потребляемой мощности и т.д.) энергетических режимов работы узлов БСС, функционирующих в полевых условиях;
3. контроль температуры окружающей среды;
4. организация распределенного режима работы ИИС с автономными измерительными узлами и беспроводной передачей результатов измерения на ПЭВМ;
5. автоматическое документирование результатов измерений, полученных в различные интервалы времени от узлов распределенной ИИС.

Математическая модель позволяет также задать параметры алгоритмов работы автономных измерительных узлов распределенной ИИС, определить параметры кусочно-равномерной дискретизации для каждого энергетического режима работы БСС.

Учитывая, что образцовых установок с возможностью генерации профиля энергопотребления, характерного для БСС, не существует, для проверки адекватности модели была взята тестовая задача: 20 узлов реально функционирующей сенсорной системы – мобильного комплекса БСК – были включены в одинаковых условиях эксплуатации (лаборатория) при нормальных условиях. Источники питания узлов – литиевые первичные ХИТ LSH 26180 (фирма SAFT, номинальная емкость – 1,2 А·ч, выходное напряжение – 3,6 В). Продолжительность работы узлов оценивалась по времени достижения полного разряда ХИТ (падение напряжения менее 2,7 В). Средние значения потребляемой мощности узлов БСС приведены на рис. 1. Отклонение полученных результатов от значения, рассчитанного по математической модели, не превышает 12 %.

Рис. 1. Средняя мощность, потребляемая узлами БСС

Таким образом, рассмотренная в главе 1 математическая модель процесса энергопотребления типового узла БСС имеет практическое значение – с ее помощью возможно определение точек оптимизации БСС по параметру энергопотребления, прогнозирование энергозатрат БСС на начальном этапе разработки физического уровня системы, алгоритмов канального и сетевого уровня.

Во второй главе исследуются структура и аппаратная реализация многодиапазонного датчика тока с программным управлением для автономных измерительных узлов распределенной ИИС.

В ходе создания распределенной ИИС потребовалась разработка собственного оригинального датчика тока. Данное решение было продиктовано особыми параметрами объекта измерения – энергопотребления узла БСС, которые на основании данных математической модели можно сформулировать следующим образом:

– широкий динамический диапазон токов потребления (порядка 120 дБ –
от ~1 мкА в режиме ожидания до ~1 А в режиме передачи данных по радиоканалу);

– разнообразие энергетических режимов работы, продолжительность и последовательность смены которых является априорно неизвестной величиной;

– длительность нахождения в режимах высокого энергопотребления от 60 мкс;

– переменная скважность импульсов тока (от 5 до 5000);

– высокая расчетная продолжительность автономной работы (свыше 3 лет).

Учитывая данные положения, автором предложена структура многодиапазонного датчика тока для измерения импульсных (длительностью от 60 мкс) и постоянных токов в широком динамическом диапазоне. Для построения датчика тока использован принцип измерения тока по падению напряжения на токоизмерительном резисторе известного сопротивления, включенном последовательно с нагрузкой. Это падение напряжения усиливается прецизионным измерительным усилителем (ИУ) и поступает на вход блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Измерительный резистор включен в общую шину, что обеспечивает низкое синфазное входное напряжение и единую «землю» входного и выходного сигнала, что облегчает его дальнейшую обработку и способствует повышению точности измерений.

Структурная схема разработанного специализированного датчика тока представлена на рис. 2, где ОУ1, ОУ2 – операционные усилители, КУС – кодоуправляемое сопротивление, ФНЧ – фильтр нижних частот, ЦП – цифровой потенциометр, определяющий коэффициент усиления второго каскада, МК – управляющий микроконтроллер.

Рис. 2. Структурная схема многодиапазонного датчика тока

с программным управлением

Измерительный усилитель (ИУ) построен по двухкаскадной схеме с двуполярным питанием, фиксированным предусилителем и программно-управляемым вторым усилительным каскадом.

С целью расширения динамического диапазона датчика тока и снижения требований к блоку АЦП автором предложено использовать в качестве измерительного резистора кодоуправлемое сопротивление. КУС реализовано с помощью набора прецизионных резисторов (), переключаемых с помощью быстродействующих ключей () на мощных полевых МОП-транзисторах с малым остаточным сопротивлением в замкнутом состоянии, что обеспечивает измерение импульса тока, находящегося в различных измерительных диапазонах.

С целью определения влияния паразитных параметров МОП-транзисторов (сопротивления Rсток-исток, входных и выходных емкостей переходов и т.д.), характеризующих неидеальность КУС, было проведено сравнительное моделирование
в системе OrCAD статических и динамических режимов работы КУС, реализованных на различных типах МОП-транзисторов. В SPICE-моделях, предоставленных фирмами-производителями, учитываются паразитные параметры МОП-тран-зисторов.

Временные диаграммы переходных процессов в КУС показаны на рис. 3. Отмечено малое (менее 1 мкс) время установления нового значения напряжения на КУС, что обеспечивает возможность измерения импульсных выбросов тока требуемой длительности. В связи с малой нагрузочной способностью выходных каналов МК управление КУС реализовано через аналоговый ключ КлБ.

Применение КУС позволило получить три измерительных диапазона датчика тока по 40дБ каждый (табл. 1).

Рис. 3. Временные диаграммы переходных процессов в КУС

(МОП-транзисторы IRLU3717 International Rectifier)

Таблица 1

Параметры измерительных диапазонов датчика тока

(напряжение питания исследуемого узла БСС от 3,3 до 15 В)

№ диапазона	Значение тока потребления, мА	Сопротивление RКУС, Ом
1	10–1000	0,033
2	0,1–10	3,3
3	0,001–0,1	330

В значении RКУС учитывается сопротивление открытого канала сток-исток МОП-транзистора, принимая во внимание полученную по результатам моделирования стабильность значения Rсток-исток в пределах тока измерительного диапазона. В целом, предложенная структура датчика тока для АИУ также снижает влияние шумов квантования АЦП на конечную погрешность измерений за счет расширения динамического диапазона выходного сигнала ИУ.

Получены расчетные соотношения, описывающие работу второго каскада (ОУ2) измерительного усилителя, управляемого с помощью прецизионного цифрового потенциометра. В основу положен принцип регулирования коэффициента усиления Кус ОУ, позволяющий устанавливать достаточное количество необходимых значений Кус с точностью, определяемой только внешним резистивным элементом. Функцию внешнего резистивного элемента выполняет прецизионный цифровой потенциометр, управляемый с помощью МК. Определено минимальное значение кода Dмин управляющего регистра ЦП (задает значение сопротивления ЦП), обусловленное параметрами выбранного типа усилительного каскада и коэффициентом перекрытия измерительных диапазонов Кс:

, (3)

где H – диапазон кодов ЦП; Rab – полное сопротивление ЦП; Roc – значение сопротивления в цепи обратной связи усилительного каскада данного типа. Символом обозначена операция нахождения наибольшего целого, меньшего или равного x.

Каждый измерительный диапазон разбивается на два поддиапазона, что обеспечивает снижение требований к дальнейшей обработке в блоке АЦП. Выходное напряжение управляемого измерительного усилителя имеет вид

, (4)

где К1 – коэффициент усиления первого усилительного каскада (ОУ1); К2мин и К2макс – минимальный и максимальный коэффициенты усиления второго усилительного каскада (ОУ2) соответственно; Dмакс – максимальное значение кода управляющего регистра в ЦП, при котором обеспечивается требуемая (не более 1%) погрешность установки сопротивления ЦП; Iгр – значение тока, при котором происходит переключение измерительных поддиапазонов; Iмакс – максимальное значение тока измерительного диапазона.

Проведено математическое моделирование параметров управляемого усилительного каскада в программе MathCAD и обоснован выбор внутреннего сопротивления ЦП, обеспечивающего лучшее соотношение сигнал/шум на выходе ИУ. Вид передаточных характеристик ИУ для различных значений внутреннего сопротивления ЦП представлен на рис. 4.

На основании проведенного в главе 2 анализа выбрана элементная база, позволяющая построить датчик тока, отвечающий предъявленным требованиям. Проведено моделирование статических и динамических режимов выбранной схемотехнической реализации датчика тока в системе OrCAD.

Третья глава посвящена разработке структуры построения распределенной ИИС, созданию аппаратной и программной части автономного измерительного узла ИИС.

Применение принципов беспроводных сенсорных сетей при передаче измерительных данных существенно упрощает развертывание и эксплуатацию ИИС и позволяет получить гибкий инструмент для мониторинга и анализа энергопотребления БСС. Необходимость организации продолжительных (до 30 суток), распределенных, автономных измерений с последующим анализом определила структуру построения ИИС: несколько автономных измерительных узлов, каждый из которых осуществляет предобработку результатов измерений за короткий (порядка 1 минуты) интервал времени, передают измерительную информацию по радиоканалу на базовый узел для последующего анализа и визуализации, используя принципы беспроводных сенсорных сетей. Структурная схема разработанной распределенной ИИС представлена на рис. 5.

АИУ – автономный
измерительный узел;

N – количество АИУ;

РК – радиоканал
для передачи измерительной информации и управляющих
команд;

ИУл – локальный
измерительный узел;

БУ – базовый узел
распределенной ИИС.

Рис. 5. Структурная схема распределенной ИИС

БУ распределенной ИИС состоит из ПЭВМ с разработанным программным обеспечением, соединенной по интерфейсу USB/RS-485 с радиомодемом, который обеспечивает взаимодействие с АИУ по РК. Выбор интерфейса связи с ПЭВМ (USB/RS-485) сделан на основе удобства подключения и инициализации, высокой скорости передачи данных интерфейса USB и возможности организации связи на большие расстояния (свыше 100 м) с помощью интерфейса RS-485.

Программное обеспечение для ПЭВМ, реализующее визуализацию информации, а также хранение и расширенный сравнительный анализ полученных результатов измерений от различных АИУ (сопоставление полученных длительностей энергетических режимов, вкладов каждого энергетического режима в общую структуру энергопотребления и т.д.), написано на языке программирования С++ в среде объектно ориентированного программирования С++Builder для операционной системы Windows XP и выше для ЭВМ, совместимых c IBM PC.

Структурная схема автономного измерительного узла распределенной ИИС представлена на рис. 6. Принцип работы АИУ заключается в преобразовании значения тока, потребляемого узлом БСС, в напряжение с помощью разработанного датчика тока, а затем в цифровой код в АЦП, который поступает для дальнейшей цифровой обработки и анализа в вычислительный блок, реализованный на базе низкопотребляющего микроконтроллера (МК). Затем полученная информация поступает по радиоканалу на базовый узел ИИС.

Программное обеспечение МК осуществляет вычисление суммарной мощности, потребляемой узлом БСС, производит анализ структуры энергопотребления, автоматически выделяя и рассчитывая параметры наиболее энергоемких режимов работы узла БСС: длительность нахождения в каждом из режимов, частоты появления энергетических режимов, вклад в общую структуру энергопотребления.

Рис. 6. Структурная схема АИУ, подключенного к узлу БСС

На базе МК также реализованы функции калибровки датчика тока, динамического переключения и цифрового управления параметрами измерительных диапазонов. Блок ИОН содержит набор источников опорного напряжения, задающих диапазон измерения АЦП.

Сформулированы требования к блоку АЦП, обусловленные параметрами выходного сигнала датчика тока: высокая скорость преобразования (до 1 Мвыб/с), параллельный выходной интерфейс, потребляемая мощность менее 100 мВт. С учетом значения интегральной нелинейности АЦП NINL выражение для минимальной разрядности АЦП Nmin, обеспечивающей погрешность квантования на нижней границе измерительного диапазона не более UАЦП, %, имеет вид

, (5)

где – минимальное значение тока измерительного диапазона, UД – диапазон входных сигналов АЦП.

Применение датчика температуры (–40…+80°С) позволило повысить точность измерений за счет использования температурных компенсационных характеристик, полученных на этапе калибровки датчика тока. Датчик температур используется и в случае проведения полевых или климатических испытаний для фиксации температурных зависимостей тока потребления узлов БСС. Локальный измерительный узел применяется для проведения лабораторных измерений и отличается от АИУ наличием проводного интерфейса USB/RS-485.

Автором предложены алгоритмы самодиагностики и самокалибровки измерительного узла во всех шести измерительных поддиапазонах.

Алгоритм измерения и анализа энергетических параметров БСС, реализованный в автономных измерительных узлах ИИС, приведен на рис. 7. Алгоритм работы АИУ обеспечивает его функционирование в двух различных режимах: предварительный анализ и режим измерения.

Рис. 7. Алгоритм измерения и анализа энергетических параметров БСС

В режиме предварительного анализа определяются количество энергетических режимов работы узла БСС, их длительности и уровни тока потребления. Для каждого выделенного энергетического режима формируются собственные параметры кусочно-равномерной дискретизации.

При измерении импульса, находящегося в разных измерительных диапазонах, происходит последовательный перебор значений КУС и коэффициентов усиления ИУ, что увеличивает длительность переходных процессов в датчике тока. Поэтому в режиме предварительного анализа происходит определение последовательностей смены энергетических режимов работы узла БСС, что дает возможность сформировать оптимальные по быстродействию алгоритмы динамического выбора измерительных поддиапазонов, сокращая время переходных процессов в КУС и ИУ и, следовательно, погрешность измерений.

В режиме измерения вычислительный блок рассчитывает энергетические параметры выделенных режимов работы узла БСС, осуществляя динамический выбор измерительных диапазонов и динамический выбор частоты дискретизации блока АЦП в зависимости от энергетического режима работы узла БСС, что позволяет сократить энергопотребление АИУ за счет уменьшения объема данных, обрабатываемых вычислительным блоком.

Программное обеспечение АИУ ИИС, реализующее разработанный алгоритм, написано на языке С в программе MPLAB с использованием компилятора
Microchip C30 для микроконтроллера серии PIC24F фирмы Microchip.

В четвертой главе проводится исследование динамической погрешности измерений импульсных токов с учетом автоматической смены измерительных диапазонов и приводятся полученные точностные характеристики действующего макета АИУ ИИС.

Показано, что реализация механизмов самокалибровки датчика тока способствует поддержанию заданных точностных параметров АИУ ИИС.

Использование температурных компенсационных характеристик АИУ позволило сократить дополнительную температурную погрешность с 0,008 %/°С до 0,002 %/°С для 1-го и 2-го измерительных диапазонов и с 0,006 %/°С до 0,001 %/°С для 3-го измерительного диапазона.

Доказано, что при измерении импульсов тока малой длительности основным фактором, порождающим погрешность, являются переходные процессы, возникающие при автоматической смене измерительных диапазонов.

Рис. 8. Измеряемый импульс тока

На основании экспериментальных данных и результатов схемотехнического моделирования в программе OrCAD проведено математическое моделирование данной погрешности в программе MathCAD.

Импульс измеряемого тока i(t) энергетического режима представлен в виде суммы линейно и экспоненциально изменяющихся составляющих (рис. 8), где
Im – амплитуда импульса, tв – длительность энергетического режима, уровень Ip – граница измерительных диапазонов. За время Tpr происходит принятие решения об автоматической смене диапазонов, и затухают переходные процессы в КУС и измерительном усилителе. Скорость нарастания S линейно изменяющейся части фронта импульса (S = 102...105А/с) и постоянная времени его экспоненциально изменяющейся части ( = 1…10 мкс) определены экспериментально и зависят от схемотехнической реализации узла БСС.

Значение Im перекрывает диапазон двух декад.

Защитные интервалы, определяемые коэффициентом Кс и позволяющие нивелировать выбросы по фронтам импульса тока, на рис. 8 не показаны.

Формула, определяющая среднее значение тока, измеренное АИУ ИИС за время импульса t5, имеет вид

, (6)

где Tr и Tf – моменты времени смены измерительных диапазонов на фронтах нарастания и спада импульса тока.

Выражение (6) описывает режим измерения, при котором отсчеты АЦП, полученные за интервал времени Tpr, не учитываются в дальнейших вычислениях. Динамическая погрешность измерения I импульса тока в зависимости от положения импульса относительно Ip для различных скоростей нарастания фронта импульса S представлена на рис. 9 ( = 10 мкс, Tpr = 18 мкс).

а) б) Рис. 9. Динамическая погрешность I для различных скоростей нарастания фронта импульса S: а – при tв = 1000 мкс; б – при tв = 100 мкс

Для более коротких импульсов (tв = 100 мкс) погрешность I значительно возрастает и для S = 2000 А/с лежит в пределах I = 3,5…33,3%, для S = 10000 А/с – I = 9,8…26,6 %.

На рис. 10 представлена зависимость максимального значения динамической погрешности Iмакс от скорости нарастания  при различных значениях tв и положениях импульса тока относительно Ip.

Максимальное значение Iмакс составляет 3,6 % при S 170 А/с (tв = 1000 мкс) и Iмакс = 34,2 % при S 1400 А/с (tв = 100 мкс). Автором обосновано применение линейной аппроксимации участков измерений, соответствующих автоматической смене измерительных диапазонов.

а) б) Рис. 10. Определение максимальной динамической погрешности Iмакс: а – при ; б – при

Формула, определяющая среднее значение тока, измеренное АИУ ИИС за время импульса t5, с учетом аппроксимации имеет вид

(7)

где ir(t) и if(t) – аппроксимирующие линейные функции по переднему и заднему фронту импульса соответственно.

Применение линейной аппроксимации позволило снизить погрешность I для S = 2000 А/с до , для S = 4000 А/с до , для S = 6000 А/с до , для S = 10000 А/с до (,).

Полагая известными параметры ,, и Tpr, разработанная методика расчета динамической погрешности для измерений импульсных токов, выполненных с учетом автоматической смены измерительных диапазонов, включает в себя следующие этапы:

1. определение границы измерительных диапазонов IP;
2. определение моментов времени от начала импульса тока, соответствующих смене измерительных диапазонов на переднем Tr и заднем Tf фронтах импульса, с учетом величины защитных интервалов;
3. расчет параметров линейных функций ir(t) и if(t), аппроксимирующих участки измерений, соответствующих автоматической смене измерительных диапазонов;
4. расчет динамической погрешности, учитывая (7), по формуле (8):

. (8)

На основании проведенных теоретических исследований разработан действующий макет узла АИУ распределенной ИИС. Полученные точностные характеристики АИУ сведены в табл. 2. Следует отметить, что при измерении импульсов тока потребления узлов реальных БСС погрешность, обусловленная автоматической сменой измерительных диапазонов, не определяется максимальным значением, приведенным в табл. 2, так как профиль энергопотребления содержит импульсы как малой (от 60 мкс), так и большой (свыше 350 мкс) длительности, вклад которых в общее значение энергопотребления различен.

Таблица 2

Точностные характеристики АИУ

Предел допускаемой основной относительной погрешности
Длительности импульса тока
60…85 мкс	85…115 мкс	115…180 мкс	180…350 мкс	свыше 350· мкс
5,7 %	3,5 %	3,2 %	2,2 %	1,1 %

В пятой главе рассматриваются особенности построения радиоканала, обеспечивающего передачу измерительной информации с АИУ и являющегося неотъемлемой частью распределенной ИИС, во многом определяющей ее параметры.

Существующие решения (например, системы GSM) неудовлетворительны по своим функциональным и энергетическим характеристикам. Таким образом, необходима разработка собственных алгоритмов работы радиоканала на канальном и сетевом уровнях.

Физический уровень радиоканала построен на интегральных однокристальных приемопередатчиках в безлицензируемом диапазоне частот 433 МГц. Однокристальные решения позволили увеличить срок автономной работы системы, а выбор низкой частоты позволил обеспечить более качественную радиосвязь на большие (до 10 км) расстояния в полевых условиях.

Алгоритм беспроводной передачи данных в распределенной ИИС базируется на оригинальной модификации принципов протокола доступа к среде передачи данных CSMA/SA (доступа с обнаружением несущей и предотвращением коллизий) и методов явного резервирования канала связи. В режиме ведущего узел излучает синхропакеты (BNT) для своих ведомых устройств и принимает синхропакеты (BNR) от старшего по иерархии узла. Во время первого интервала (RTS) предоставляется доступ на конкурентной основе в соответствии с алгоритмом СSMA/CA. Во время второго интервала (ACK) ведущий узел назначает своим ведомым номера слотов гарантированного доступа, учитывая загруженность линии связи, приоритеты сообщений и не допуская монопольного захвата эфира одним из устройств. Таким образом, ведомое устройство получает доступ во время закрепленных за ним временных интервалов GTS. Временная диаграмма работы радиомодема узла распределенной ИИС приведена на рис. 11. Учитывая жесткую временную синхронизацию в системе, параметры алгоритма СSMA/CA были модифицированы путем замены первоначального прослушивания эфира с целью обнаружения несущей на случайный, динамический выбор слотов запроса RTS.

В случае отсутствия ответа от ведущего попытка передачи возобновляется после приема следующего маяка в другом случайном слоте RTS. Количество слотов RTS и GTS адаптивно варьируется в зависимости от количества ведомых устройств.

Сетевой уровень разработанного алгоритма передачи измерительных данных внутри распределенной ИИС основывается на топологии «кластерное дерево». Основополагающим принципом явился отказ от специализированных узлов-ретрансляторов данных. Каждый АИУ ИИС автоматически выполняет функцию ретрансляции измерительных пакетов, а также доставляет команды с БУ ИИС.

Рис. 11. Временная диаграмма работы радиомодема АИУ распределенной ИИС

Суммарная потребляемая мощность PPK разработанного радиоканала для распределенной ИИС не превышает 4 мВт, что составляет 1 % от суммарной потребляемой мощности АИУ ИИС. Таким образом, РК оказывает малое влияние на время автономной работы АИУ ИИС, сохраняя при этом способность автономных измерительных узлов к динамическому выбору маршрутов передачи измерительных данных, что снимает с пользователя сложности по развертыванию и эксплуатации измерительной системы.

Разработанная распределенная аппаратно-программная ИИС для продолжительных автоматизированных измерений и анализа энергетических характеристик БСС имеет следующие технические параметры:

1) диапазон измеряемых токов – от 1 мкА до 1 А с основной погрешностью согласно табл. 2; длительность измеряемого импульса тока – от 60 мкс;

2) количество анализируемых энергетических режимов – не более 20;

3) диапазон напряжение питания АИУ ИИС – 7,2…15 В;

4) потребляемая мощность АИУ ИИС – не более 350 мВт;

5) рабочий температурный диапазон АИУ ИИС: –40… +80 °С;

6) интерфейс связи локального измерительного узла – USB/RS-485;

7) количество АИУ в распределенной ИИС – до 128;

8) частотный диапазон РК для ИИС – 433,92 МГц ±0,2 %;

9) выходная мощность передатчика в РК – не более 10 мВт;

10) интервал передачи информации по радиоканалу с АИУ – не менее 1 мин.

Результаты диссертационной работы используются в процессе выполнения НИОКР по созданию перспективных БСС для СОГО: быстроразвертываемого сигнализационного комплекса (БСК) и беспроводной малокадровой системы видеонаблюдения (МВС-Р) в ФГУП «НИКИРЭТ» – филиале ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко». Эффективность применения ИИС в сфере оптимизации энергопотребления комплекса БСК приведена на рис. 12.

Рис.12. Энергопотребление комплекса БСК (ФГУП НИКИРЭТ)
до и после оптимизации с помощью разработанной распределенной ИИС

Распределенная ИИС позволила выявить и устранить ошибки в разработанных алгоритмах функционирования комплекса БСК, ошибки в написании программного обеспечения, которые вносили определяющий вклад в повышенное энергопотребление комплекса в целом. Применение разработанной распределенной ИИС позволило существенно снизить (в 2,4 раза с 9,9 до 4,1 мВт) энергопотребление реально функционирующей БСС средств охраны объектов – мобильного комплекса БСК.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях к работе представлены: сведения о внедрении результатов диссертационной работы и макромодели микросхем, используемых при моделировании в программе OrCAD.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Определена структура распределенной ИИС с беспроводной передачей данных для продолжительных автоматизированных измерений и анализа энергетических характеристик БСС. Разработаны аппаратная и программная части автономных измерительных узлов и базового узла распределенной ИИС.

2. Предложены структура и схемотехническая реализация многодиапазонного датчика тока с программным управлением, обеспечивающим измерение импульсных токов (длительностью от 60 мкс) в интервале от 1 мкА до 1 А с автоматической сменой измерительных диапазонов.

3. Разработан алгоритм измерения и анализа энергетических параметров БСС в автономных измерительных узлах распределенной ИИС, позволяющий получить развернутую информацию о профиле энергопотребления узла БСС.

4. Разработан алгоритм беспроводной передачи данных между АИУ ИИС, что дает возможность измерять в реальном времени энергетические затраты БСС, функционирующей длительное время, автономно, в полевых условиях эксплуатации.

5. На основе разработанной модели энергопотребления типового узла БСС создана программная оболочка для ПЭВМ в составе базового узла распределенной ИИС, позволяющая прогнозировать энергозатраты БСС на этапе разработки физического уровня системы, алгоритмов канального и сетевого уровня.

6. Исследованы динамические погрешности измерений импульсных токов с учетом автоматической смены измерительных диапазонов, и экспериментально подтверждены основные положения диссертационной работы.

7. Применение разработанной распределенной ИИС позволило создать радиосистему передачи данных в БСС, характеризующейся высокой энергоэффективностью при сохранении высокого уровня самонастройки БСС. Энергопотребление мобильного охранного комплекса БСК (ФГУП НИКИРЭТ) снижено в 2,4 раза с 9,9 до 4,1 мВт.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Киреев, А. О. О выборе элементной базы беспроводной сенсорной сети охраны объектов / А. О. Киреев, А. В. Светлов, В. А. Первунинских // Инфокоммуникационные технологии. – Т. 6. Спец. выпуск «Технологии безопасности и охраны». – 2008. – С. 38–42.

2. Киреев, А. О. Средства мониторинга и анализа энергетических режимов работы автономных микромощных систем / А. О. Киреев, А. В. Светлов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.– 2010. – № 3 (15). – С. 92–102.

3. Киреев, А. О. Распределенная система энергетического мониторинга беспроводных сенсорных сетей / А. О. Киреев, А. В. Светлов // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 5 (118). – С. 60–65.

Публикации в других изданиях

4. Киреев, А. О. Беспроводные сенсорные сети в сфере технологий охраны объектов / А. О. Киреев, А. В. Светлов // Надежность и качество : тр. междунар. симп. : в 2 т. – Пенза : Инф.-изд. центр ПензГу, 2008. – Т. 2. – С. 179–181.

5. Киреев, А. О. Эффективное управление энергопотреблением беспроводных сенсорных сетей информационно-измерительных систем // Надежность и качество : тр. междунар. симп. : в 2 т. – Пенза : Инф.-изд. центр ПензГу, 2009. –
Т. 2. – С. 131–136.

6. Киреев, А. О. Вопросы энергопотребления в беспроводных сенсорных сетях средств охраны объектов // Юбилейная научно-техническая конференция специалистов и молодых ученых, посвященная 50-летию войсковой части 68240 : тез. докл. Всерос. конф. – М., 2009. – С. 68.

7. Киреев, А. О. Исследование энергетических режимов работы автономных микромощных систем / А. О. Киреев, А. В. Светлов // Шляндинские чтения – 2010. – Пенза : Инф.-изд. центр ПензГу, 2010. – С. 48–52.

8. Киреев, А. О. Аппаратные средства измерения энергопотребления беспроводных сенсорных систем // Надежность и качество : тр. междунар. симп. :
в 2 т. – Пенза : Инф.-изд. центр ПензГу, 2010. – Т. 2. – С. 500–501.

9. Киреев, А. О. Аппаратно-программный комплекс для анализа, измерения и мониторинга энергопотребления беспроводных сенсорных систем / А. О. Киреев, И. В. Ханин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments : IX Междунар. науч.-практ. конф. –
М. : Изд-во РУДН, 2010. – С. 329–331.

10. Киреев, А. О. Применение управляемых измерительных резисторов
в широкодиапазонных быстродействующих датчиках тока / А. О. Киреев,
А. В. Светлов // Надежность и качество : тр. междунар. симп. : в 2 т. – Пенза : Инф.-изд. центр ПензГу, 2011. – Т 2. – С. 263–267.

11. Киреев, А. О. Алгоритмы передачи информации в распределенных информационно-измерительных системах / А. О. Киреев // Перспективные технологии в средствах передачи информации (ПТСПИ–2011) : материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. – Владимир : ВлГУ, 2011. – Т. 1. – С. 224–226.

12. Киреев, А. О. Особенности построения и проектирования энергоэффективных беспроводных сенсорных сетей средств охраны объектов / А. О. Киреев // Молодежь. Наука. Инновации : тр. III Междунар. науч.-практ. интернет-конф. – Пенза : Изд-во ПФ РГУИТП, 2011. – С. 184–187.

13. Киреев, А.О. Система мониторинга энергопотребления беспроводных сенсорных сетей / А. О. Киреев // Датчики и системы : сб. докл. XXX Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011.

14. Киреев, А. О. Исследование энергетических режимов работы беспроводных сенсорных сетей / А. О. Киреев // Научно-техническая конференция специалистов и молодых ученых ЦНИИСТ ФСБ : тез. докл. Всерос. конф. – М., 2011. – С. 10–11.

15. Киреев, А. О. Информационно-измерительные системы для беспроводных сенсорных сетей средств охраны объектов / А. О. Киреев // Высокие технологии в атомной отрасли : сб. докл. V молодеж. науч.-техн. конф. – Н. Новгород, 2011.

Научное издание

КИРЕЕВ Александр Олегович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ДЛЯ МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

Подписано в печать 19.10.2011. Формат 60841/16.

Усл. печ. л. 1,16.

Заказ № 662. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ

Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]