Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 9, 2010 г.

БЕСПРОВОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ BLUETOOTH В ДИАГНОСТИКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

 

Теодорович Н.Н., Линьков А.О., Саморуков И.И., Ильин С.А.

(Российский государственный университет туризма и сервиса)

 

Аннотация

 

В статье рассмотрено применение беспроводной технологии Bluetooth для дистанционной диагностики автоматизированных систем промышленных зданий.

 

Сегодня технология беспроводных сетей является одной из перспективной технологией с помощью, которой можно решать задачи мониторинга и контроля за устройствами в сложных условиях промышленного производства,. Постоянный учет поступающей информации от инженерного оборудования зданий и сооружений, состояния внешней и внутренней среды в этих зданиях, а также поступающая информация от систем управления производством, обеспечивают эффективное функционирование промышленных предприятий.

Важнейшее требование к беспроводным устройствам, применяемым в промышлен­ности и системах сбора информации, — это на­дежность беспроводного канала в сложных условиях распространения сигнала. В про­изводственных помещениях порой трудно обеспечить прямую видимость между дву­мя радиомодулями, а наличие большого ко­личества металлических поверхностей по­рождают многолучевое распространение, вы­зывающее флуктуации уровня сигнала. Это может создавать проблемы для приемных устройств. С другой стороны, наличие от­ражающих поверхностей обеспечивает про­хождение сигнала в отсутствие прямой ви­димости и может способствовать увеличе­нию дальности действия радиомодулей. Так, исследования, проведенные в цехах целлю­лозного завода, показали, что мощность принимаемого сигнала пропорциональна d '•' (где d — расстояние), в то время как на открытом пространстве она пропорцио­нальна d"20.

Технология Bluetooth использует метод расширения спектра скачкообразным изме­нением частоты (FHSSFrequency Hopping Spread Spectrum). Такой механизм позволяет быстро избавиться от помех даже в сложной об­становке промышленного производства, обеспечив надежную и предсказуемую пе­редачу данных. В версии Bluetooth 2.0 этот механизм усовершенствован, что позволя­ет полнее использовать возможности стан­дарта. Эксперименты, проведенные в пла­вильном цехе с мощными СВЧ-печами (суммарной мощностью 25 МВт), показали, что расстояние до печей практически не влияет на надежность работы радиоканала. Кроме того, такой метод расширения спектра позволяет использовать параллель­но множество Bluetooth-устройств. Прове­денные испытания показали возможность функционирования десяти независимых Bluetooth-каналов передачи информации и одной сети WLAN, расположенных в еди­ной зоне покрытия. Время цикла пере­дачи данных по каналу Bluetooth оставалось стабильным, не было отмечено каких-либо проблем и в работе WLAN. Тем не менее, перед окончательным выбором беспровод­ной технологии передачи данных необхо­димо оценить обстановку с точки зрения помех, принимая во внимание возможность наличия в данном месте уже работающих беспроводных сетей различных стандартов.

Еще одним требованием является про­стота использования. Готовые устройства Bluetooth полностью удовлетворяют этому требованию. Большинство модулей являют­ся законченными устройствами и требуют для подключения минимум внешних эле­ментов. Чаще всего применение Bluetooth для прибора сводится к эмуляции обычно­го асинхронного последовательного порта (UART). Отличия лишь в том, что сначала должна установиться связь по ра­диоканалу, а далее Bluetooth-модуль исполь­зуется практически как обычный нуль-мо­демный кабель.

В ходе мониторинга возможно сформировать алгоритм универсального сканера, позволяющего проводить диагностику неисправности сетей распределения ресурса любого вида, включая сети автоматизации. Датчики, объединенные в беспроводную сеть, образуют распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации.

Интерфейс Bluetooth может одновременно связать 71 устройство. Bluetooth работает по такому принципу: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду) или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. «Понять» друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи – для посторонных приборов переданная информация будет обычным шумом. Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet". Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master'ом в одной и slave'ом в другой.

На рисунке 1 приведена контролируемая сеть распределения в помещении цеха ресурса одного вида (вода, газ, электричество, др.). Первичный контроль проводится в распределительном шкафу на «входе» помещения. Вторичный контроль фиксирует распределение ресурса по каналам в пространстве помещения. Результаты контроля фиксируют готовность цеха промышленного предприятия к осуществлению функционирования. При этом мониторинг обеспечивает сбор и обработку данных с выходов сетей – при осуществлении опроса о состоянии управляющих устройств объектов автоматизации. Такой подход позволяет реализовать принципы проектирования объединенного интерфейса.

 

Система с заданной периодичностью по определенному алгоритму опрашивает контроллеры, установленные на отдельных элементах сети, в том числе – датчиков, и формирует отчет об их функционировании, выводя данные в виде мнемосхемы на табло оператора. Вторичный контроль фиксирует распределение ресурса по каналам в пространстве помещения. Результаты контроля определяют готовность цеха промышленного предприятия к осуществлению функционирования. При этом мониторинг обеспечивает сбор и обработку данных с выходов сетей – при осуществлении опроса о состоянии управляющих устройств объектов автоматизации.

Аналогично может быть проведена диагностика систем автоматизации производственных и обеспечивающих процессов. На рисунке 2 представлен разработанный алгоритм работы сетевого сканера, формирующего отчет системы, охватывающей сеть управления автоматизированными объектами инженерных сетей строения. Сканер формирует отчет о готовности отдельных элементов сети поставки ресурса во внутреннюю среду строения и осуществляет сбор данных о состоянии оборудования систем управления. Автоматизированный объект при запросе оператора о состоянии работоспособности по информационной сети данных формирует в соответствующем режиме ответный сигнал. Этот сигнал фиксируется техническим средством в составе сканера, нормируется в единицах амплитуды и становиться основой для проведения вычислений по формуле, приведенной на рисунке 2.

При фиксации и сравнении полученных значений интенсивности сигнала (А – амплитуда сигнала, ф – фаза сигнала) с данными предыдущего цикла сканирования, определяют различия в состоянии объекта наблюдения. Эти различия становятся основой для определения состояния работоспособности сетей в процессе обеспечения функционирования строения, формирования решения оператора диспетчерской службы об уровне опасности, возникшей ситуации потери работоспособности, о проведении ремонта и т.д.

Систему управления рабочим процессом производства можно разделить на несколько подсистем, а именно: система сбора информации, система обработки информации и исполнительная система. Необходимо выделить, что при анализе отдельных частей системы управления рабочим процессом нас интересуют только функциональные свойства элементов, то есть те, которые определяют их взаимодействие с другими элементами и оказывают влияние на характер поведения системы управления в целом. Типичная структура системы управления рабочим процессом производства (ПП) показана на рис. 3.

Description: Description: D:\Desktop\systech\teodorovich\teodorovich_html_m54986f54.gif

Рис.3. Структурная система управления функционированием промышленного здания.

 

Характер и значимость информации, поступающей от датчиков для процесса управления, очень высока и позволяет разделить источники информации на группы, по критерию их важности для процесса управления.

Наиболее важным элементом системы управления рабочим процессом, является устройство управления, называемое иначе блок управления. Датчики системы управления рабочим процессом осуществляют преобразование физических величин, характеризующих состояние ПП в электрические сигналы, которые по линиям связи поступают в блок управления.

Согласование сигналов, поступающих от датчиков, с электрическими характеристиками входных портов микроконтроллера осуществляют входные цепи блока управления, в задачу которых входит и защита портов микроконтроллера блока управления от перегрузки. В качестве устройства, осуществляющего выполнение заданного алгоритма управления, применяются микроконтроллеры различных типов и вычислительной мощности.

Управление вообще и управление рабочим процессом производства, в частности, является процессом переработки информации. Информация, поступающая от датчиков и исполнительных устройств системы АСУ ТП предприятия, различается как по своим характеристикам, так и по своей значимости для реализации процесса управления. В этих условиях становится особенно важным выделить из всего потока информации, циркулирующей в системе управления, наиболее существенную, и на основании этого оптимизировать параметры системы управления рабочим процессом производства.

При использовании беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.

Технология Bluetooth в настоящее время удовлетворяет всем основным требованиям, предъявляемым к беспроводной передаче данных. Немало этому способствовала просто­та структуры устройств Bluetooth. В их состав входят радиомодуль-трансивер, контроллер связи (он же baseband-процессор), и управляющее связью устройство, собственно реали­зующее протоколы Bluetooth верхних уровней, а также интерфейс с терми­нальным устройством. Трансивер и контроллер связи реализуется на спе­циализированных интегральных или гибридных микросхемах. Устройство управления связью - на стандартных микроконтроллерах, сигнальных про­цессорах либо его функции поддерживают центральные процессоры мощ­ных терминальных устройств.

Сейчас система Bluetooth получила широкое признание. Различные модели использования открывают новые области для возможности применения Bluetooth. Соответственно, к данной технологии предъявляются всё новые требования:

- Наиболее важным требованием от беспроводных соединений является то, что должна быть универсальная структура, которая предлагает доступные и удобные средства доступа к информации набора различных устройств;

- В практическом исполнении ожидается, что не все устройства будут отвечать ко всем функциональным возможностям, и пользователи могут ожидать, что знакомые им устройства выполнят свои основные функции обычным способом. Поэтому Bluetooth должен предложить средство для взаимодействия между устройствами, находящимися вблизи друг от друга, где каждое устройство обеспечивает свойственную ему функцию, основанную на форме, интерфейсе пользователя, стоимости и мощности, но дополнительный сервис появляется в результате взаимодействия;

- Стандарт должен дать возможность устройствам установить инициативное подключение. Устройства могут соединяться без специальной команды пользователя или действия, что позволяет использовать различные информационные ресурсы;

- Предусматривается поддержка передачи данных и голоса, поскольку это два наиболее важных вида информации;

- Стандарт должен уметь включать новые модели использования без требования какой-либо регистрации нового сервиса;

- Соединения должны предоставлять защиту данных;

- Выполнение этого стандарта должно быть простым, не громоздким и эффективным для легкого мобильного использования;

- Для быстрого развития системы и для наибольшей пользы Bluetooth необходимо на деле показать пользователям, что всё большее количество устройств подходит под стандарт Bluetooth. Эти устройства представляют собой весьма неоднородный набор, и, конечно, никакая отдельная компания не сможет производить все эти устройства. Поэтому немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит платному лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth.