Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитическая часть

1.1 Технико - экономическая характеристика предметной области

1.2 Обзор и сравнительный анализ систем контроля и учета энергоресурсов

1.3 Обоснование выбора беспроводной технологии передачи данных для реализации информационно-измерительной системы учета энергоресурсов

2. Проектная часть

2.1 Описание беспроводной технологии Zigbee для систем мониторинга и контроля

2.2 Исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного многоквартирного жилого дома

2.3 Разработка структурной схемы беспроводной информационно - измерительной системы учёта энергоресурсов для многоквартирных жилых комплексов

2.4 Выбор элементной базы для реализации информационно - измерительной системы контроля расхода энергоресурсов

2.5 Разработка алгоритмического обеспечения беспроводной информационно - измерительной системы учета энергоресурсов

3. Экспериментальная часть

3.1 Тестирование разработанной ИИС в режиме отображения и хранения на ЭВМ управляющей компании получаемой информации

Заключение

Список использованных источников



Введение

ЖКХ в настоящее время является одной из областей жизни российских граждан, в которой происходят кардинальные преобразования на основе современных информационных технологий, являющихся инструментом, который позволяет собирать данные по расходованию энергоресурсов, адекватно оценивать уровень потребления и выявлять реальные потери энергии при доставке потребителю.

Коммерческому квартирному и домовому учету потребления энергоресурсов в последнее время уделяется повышенное внимание. Проблему регулирования расхода энергоресурсов можно успешно решить только путем модернизации существующих систем учета, создания инновационных систем контроля и учёта энергоресурсов, в том числе с возможностью дистанционного снятия показаний счетчиков.

В дипломном проекте рассматривается способ реализации СКУЭ на базе беспроводной технологии ZigBee, в которую изначально заложены возможность ретрансляции сообщений между.

Беспроводная информационно - измерительная система учета энергоресурсов предназначена для организации автоматизированного учета электроэнергии и управления энергопотреблением абонентов, проживающих в многоквартирных жилых комплексах.



1. Аналитическая часть

Целью аналитической части является рассмотрение существующего состояния предметной области, характеристики объекта исследования и телекоммуникационной системы, обоснование предложений по устранению выявленных недостатков существующих разработок, внедрению новых подходов и новых технологий, которые бы обеспечивали преимущество нашей разработки над конкурентными моделями и долгий жизненный цикл разрабатываемой системы.

Внедрение беспроводной информационно - измерительной системы учета энергоресурсов должно позволить управляющим компаниям организовать налаженный правильный учет, локализовать потери электроэнергии при передаче ее абонентам и получить картину работы каждого многоквартирного жилого комплекса в реальном времени.

1.1 Технико - экономическая характеристика предметной области

Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов. Энергоемкость российской экономики существенно превышает в расчете по паритету покупательной способности аналогичный показатель в США, в Японии и развитых странах Европейского Союза.

Нехватка энергии может стать существенным фактором сдерживания экономического роста страны. По оценке, до 2015 года темпы снижения энергоемкости при отсутствии скоординированной государственной политики по энергоэффективности резко замедлялись. Это привело к еще более динамичному росту спроса на энергоресурсы внутри страны. Запасов нефти и газа в России достаточно, однако увеличение объемов добычи углеводородов и развитие транспортной инфраструктуры требуют значительных инвестиций.

Меры по снижению энергоемкости за период 2000-2010 гг. оказались недостаточными для того, чтобы остановить динамичный рост спроса на энергию и мощность.

Барьеры, сдерживающие развитие энергосбережения и энергоэффективности в стране, можно разделить на четыре основные группы:

- недостаток мотивации;

- недостаток информации;

- недостаток опыта финансирования проектов;

- недостаток организации и координации.

Существует два пути решения возникшей проблемы:

· первый - крайне капиталоемкий путь наращивания добычи нефти и газа и строительства новых объектов электрогенерации;

· второй - существенно менее затратный, связанный с обеспечением экономического роста в стране за счет повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.

Следует отметить, что на практике необходимо объединение преимуществ использования первого и второго вариантов с приоритетом энергоэффективности.

Эффективное использование энергоресурсов, в первую очередь, предполагают жесткий контроль за их потреблением с помощью современных систем учета, которые позволяют:

- применять дифференцированный учет по зонам суток (экономия до 18%);

- автоматизировать контроль и учёт электроэнергии - ИИС КУЭ (а если это необходимо и других ресурсов: тепловой энергии, воды, газа и т.п.).

В целом применение энергоэффективного технологического оборудования экономит от 10 до 80% энергии. Крайне важным вопросом в решении задачи повышения энергоэффективности является учет электроэнергии и снижение потерь.

1.2 Обзор и сравнительный анализ систем контроля и учета энергоресурсов

Экономить можно то, что учтено. Сегодня нет масштабной федеральной программы совершенствования учета. До сих пор большинство потребителей пользуется счетчиками, разработанными 30-40 лет назад, а технология сбора информации основана на самостоятельном съеме показаний прибора учета электроэнергии. В этой ситуации сложно оценить эффект от внедрения той или иной технологии.

Разработка в дипломном проекте новой современной информационно - измерительной системы контроля и учета энергоресурсов позволит выявлять точное количество поставленной электроэнергии, а также осуществлять контроль параметров качества передаваемой электрической энергии. Кроме того, разрабатываемая система позволит осуществлять диспетчерский контроль и управление процессом потребления электроэнергии в отдельно взятом современном жилом комплексе, более рационально использовать электроэнергию потребителю по времени суток, что в целом и способствует ее сбережению и эффективности использования.

Использование в разрабатываемой системе интеллектуальных счетчиков позволяет дистанционно отслеживать показания приборов учета, контролировать объем энергопотребления. Потребители могут в любой момент времени нажатием многофункциональной кнопки на счетчике получить полную оперативную информацию о том, сколько использовано энергии.

Для того, чтобы разработать в дипломном проекте современную системы определим основные функции, требуемые от ИИС КУЭ:

· Сбор и хранение среза данных о накопленной электроэнергии раз в день или по расписанию дает возможность определения количества электроэнергии за определенный промежуток времени, а в некоторых случаях помогает выявлять незаконные подключения к электросети;

· Выдача итоговых данных по накопленной электроэнергии раз в месяц на экран и в бумажной форме позволяет упростить расчет с абонентами за электроэнергию;

· Выдача основных показателей качества электроэнергии в любой точке учета позволяет анализировать потери электроэнергии, планировать работы по подключению новых счетчиков и монтажу силовых линий, а так же оценивать нагрузку на линии и принимать такие решения, как подключение новых трансформаторов или замену линий передачи электроэнергии;

· Возможность подключения «вводного» счетчика электроэнергии в систему - во многих случаях для этого требуется установка еще одного счетчика, т.к. для подключения к существующему счетчику требуется разрешение энергосбытовой организации, да и чаще всего счетчик просто не удовлетворяет требованиям системы. Тем не менее, функция дает наглядное представление пользователю не только о фактическом потреблении, но и о потерях на линиях электропередач;

· Передача данных по силовым линиям снимает необходимость тянуть дополнительные линии связи и упрощает монтаж, что существенно удешевляет систему. Еще один плюс такой организации канала связи - простота расширения системы (обслуживающей организации достаточно монтировать подготовленный счетчик силами штатного электрика, а не вызывать для этого монтажников компании-интегратора ИИС КУЭ).

Эффективность внедрения АИИС КУЭ для организаций ЖКХ и бытовых потребителей:

· Организация достоверного учета и оперативного контроля за потреблением электроэнергии по каждой квартире и по жилому дому в целом.

· Исключение хищений электроэнергии за счет оперативного контроля баланса потребления жилого дома.

· Отказ от системы выписки счетов за потребленную электроэнергию самими жильцами и переход на выписку счетов энергоснабжающей организацией.

· Обеспечение автоматизации процесса выписки счетов жильцам за фактически потребленную электроэнергию.

· Сокращение затрат на персонал, контролирующий показания квартирных счетчиков.

· Снижение потерь электроэнергии, за счет контроля и анализа потребления дома в целом и уменьшения нерационального расхода энергии в нежилых помещения дома (на лестничных площадках, при освещении входов в подъезды, в подвалах и т.п.).

Анализ представленных на рынке систем контроля и учета энергоресурсов

Комплекс технических средств ЗАО «Энергомер».

КТС «Энергомера» предназначена для многоуровневой автоматизации коммерческого и технического учёта электроэнергии и мощности на энергетических объектах (электростанциях и подстанциях), промышленных предприятиях.

Внедрение комплекса обеспечивает: повышение эффективности использования энергетических ресурсов; рациональное энергосбережение; организацию финансово-расчётных взаимоотношений субъектов рынка электрической энергии, в том числе и при использовании дифференцированных тарифов за пользование электроэнергией.

Измерение и учёт электроэнергии и мощности.

Автоматизированная обработка информации.

Хранение и представление данных в удобном для пользователя виде.

Ретрансляция данных на другие уровни системы.

Контроль положения коммутационных аппаратов и охранная сигнализация.

Комплекс технических средств (КТС) «Энергомера» имеет сертификат об утверждении типа средств измерений, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений и допущен к применению в РФ.

В качестве генерального подрядчика «Энергомера» обеспечивает выполнение всего комплекса работ по созданию АИИС КУЭ и гарантирует сдачу системы в эксплуатацию с выполнением всех требований заказчика в соответствии с техническим заданием.

Система АСКУЭ на базе КТС «Энергомера» предназначена для организации автоматизированного учета электроэнергии и управления энергопотреблением абонентов.

Система обеспечивает сбор, хранение, оперативное предоставление и документирование достоверных данных о потреблении электроэнергии и параметров сети.

Система обеспечивает возможность ограничения энергопотребления каждого абонента путем предварительного задания лимитов на временные периоды, а также обеспечивает возможность удаленного отключения абонента.

Использование радиоканала для обмена данными со счетчиками не требует дополнительных затрат на создание проводных линий связи.

Радиоканал 2,4 ГГц на базе технологии ZigBee обеспечивает высокую скорость обмена данными между устройствами, сопоставимую с проводными линиями.

Снижение технических потерь энергоресурсов за счет повышения точности измерительных приборов.

Снижение экономических потерь электроэнергии за счет оперативного получения информации об энергопотреблении, а также ограничения в энергопотреблении отдельных абонентов.

Снижение затрат на содержание штата контроллеров и исключение субъективных факторов, влияющих на процесс учета, за счет автоматизации сбора данных о потреблении электроэнергии.

В техническом решении ЗАО «Энергомер» есть несомненные плюсы, которые будут использованы нами при проектировании системы, однако, ее высокая стоимость не дает ее использовать не на крупных предприятиях, что существенно объясняет необходимость создания ИИС с небольшим количеством счетчиков, как в поставленном нами в техническом задании случае.

Миссия - Сокращение финансовых расходов крупных и средних энергоемких предприятий на энергоресурсы.

АИИСКУЭ позволяет обеспечить точный учет электроэнергии, передаваемой субабонентам и услуг на ее передачу, локализовать потери и хищения электроэнергии.

АИИСКУЭ позволяет получить картину энергопотребления каждого объекта на предприятии.

Уникальность состоит в :

1. Предоставлении клиентам полного комплекса услуг по снижению затрат на энергоресурсы (создание АИИСКУЭ «под ключ», метрология).

2. Высокой инвестиционной привлекательности проектов - при выводе на оптовый рынок период окупаемости - менее одного года.

3. Оптимальном соотношении «цена-качество».

Анализ представленных на российском рынке разработок показал, что информационно - измерительная система, разрабатываемая в дипломном проекте, должна обеспечить передачу информации от электросчётчика до контролирующей организации. Поэтому к ИИС относятся:

· устройства сбора и передачи данных (УСПД)

· каналы связи между электросчётчиками и УСПД

· серверы верхнего уровня

· коммуникационная среда и каналы связи между УСПД и серверами верхнего уровня (переход с нижнего уровня на верхний)

· система обеспечения единого времени (СОЕВ)

· автоматизированные рабочие места (АРМ) диспетчеров

· автоматизированные рабочие места администраторов системы

· программное обеспечение верхнего уровня

Рассмотрим достоинства и недостатки таких каналов связи: PLC-канал связи; радио-канал связи; GSM\GPRS-коммуникатор и беспроводная сеть.

К достоинствам PLC-канала связи можно отнести, то, что не требуется дополнительных затрат на прокладку линии связи, так как используются линии силового питания. Этот канал связи может быть успешно применен для применения для внутридомового учета электроэнергии.

Для ИИС существенен следующий его недостаток: низкая надежность связи на длинах более 100 метров, зависимость канала связи от схемы соединений фидеров на ТП, необходимость установки устройств сбора и передачи данных.

Использование радио-канала связи - это эффективное решение для открытых зон города с малоэтажной застройкой, то есть для нашего случая - частного сектора. Но для его использования существует необходимость прямой видимости передающей антенны. Недостатком является низкая защищенность антенн, необходимость установки устройств сбора и передачи данных или коммуникатора на ТП\РП.

Применение GSM\GPRS-коммуникатора обеспечивает надежный беспроводной канал связи между группой счетчиков и ЦСОД и не требует дополнительных затрат на вынос антенны. Обеспечивает простоту монтажа и наладки канала связи, но в отличии от предыдущих вариантов недостатками являются необходимость постоянной оплаты трафика и использование только в зоне покрытия территории сетями сотовой связи GSM.

Достоинствами применения беспроводного способа передачи данных является возможность поддерживать сложные беспроводные сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, беспроводные сети являются самоорганизующимися (самовосстанавливающимися) сетями передачи данных. Достоинством такой структуры ИИС является низкая стоимость системы, построенной на сетях с большой концентрацией приборов учета. Рекомендуется применение этого способа передачи данных для организации внутридомового учета.

Конкретную технологию реализации беспроводной информационно - измерительной системы рассмотрим в следующем параграфе.

1.3 Обоснование выбора беспроводной технологии передачи данных для реализации информационно-измерительной системы учета энергоресурсов

Для реализации ИИС контроля расхода энергоресурсов проведем анализ характеристик существующих беспроводных технологий передачи данных. Наиболее распространенные средства, которые можно отнести к таким радиосетям - это Wi-Fi, Bluetooth, и ZigBee.

1. Технология Bluetooth создания беспроводных персональных сетей передачи данных предназначена, в основном, для связи разнообразных портативных (гаджетов) и стационарных устройств [1]. Дальность действия отдельного устройства Bluetooth определяется его классом: самые мощные устройства класса 1 имеют мощность 100 мВт и радиус действия 100 м; устройства класса 2 - 2,5 мВт и 10 м;. a устройства класса 3 - соответственно 1 мВт и 1 м.

Наибольший интерес представляет Bluetooth 4.0. - Беспроводная технология Bluetooth с низким энергопотреблением.

Под сверхмалым потреблением понимается потребление на уровне 20-50% от потребления устройств Bluetooth предыдущих спецификаций. Малое потребление обеспечивается за счет уменьшения мощности излучения (-20…-3 дБм) и уменьшения скорости передачи до 200 Кбит/с.

2. Технология ZigBee - это набор протоколов сетевого и прикладного уровня, предназначенный для создания беспроводных сетей датчиков. Протоколы физического и МАС-уровней устройств ZigBee определяются стандартом 802.15.4, поэтому именно этот стандарт определяет связные характеристики устройств ZigBee.

Основные области применения технологии - это построение беспроводных сетей датчиков. Именно поэтому выпускаемые устройства ZigBee являются относительно простыми, малопотребляющими (срок службы 2 года), дешевыми и имеют низкие требования по пропускной способности. Достоинством ZigBee является возможность организации mesh-сетей. Общее число узлов - до 216 [3,4].

Так как устройства ZigBee относительно дешевы, то они имеют ограниченную вычислительную мощность, оперативную память. Следует отдельно остановиться на вопросе дальности действия систем ZigBee, поскольку в той или иной степени это касается всех беспроводных систем связи малого радиуса действия. Согласно спецификациям производителей оборудования ZigBee, дальность действия при мощности излучения 0 дБм (1 мВт) составляет до 30 м на открытой местности, а при мощности излучения 5 дБм - до 100 м. Однако в помещениях дальность действия традиционных узкополосных беспроводных систем связи резко падает. Не составляет исключения и ZigBee: при тех же мощностях излучения для помещений производители указывают цифры 7-20 м.

3. Wi-Fi (IEEE 802.11) - это набор стандартов беспроводной связи для замены проводных соединений локальных сетей Ethernet (LAN) [6,7]. Частотный диапазон 2,4; 3,6 и 5 ГГц. Стандартная мощность излучения составляет 100 мВт, но известно наличие на рынке оборудования мощностью 200-500 мВт и выше. В настоящее время поддерживаются скорости передачи до 600 Мбит/с (802.11n), хотя самыми распространенными являются скорости до 54 Мбит/с. Максимальная дальность связи Wi-Fi с изотропными антеннами составляет 100 м на открытой местности, при этом скорость связи падает до единиц Мбит/с. Первоначально устройства Wi-Fi поддерживали сети топологии «звезда». В 2009 г. принят стандарт IEEE 802.11s (ESS Mesh Networking), описывающий создание ячеистых сетей.

Технология передачи данных по Wi-Fi обладает такими достоинствами, как высокая дальность действия отдельного устройства, передача речи в глобальной сети и возможность связи с абонентом в любой точке земного шара, где есть интернет.

Таблица 1.1. Сравнительные характеристики беспроводных технологий

Параметр	Bluetooth	ZigBee	Wi-Fi
Диапазон, Мгц	2400-2485	433, 868-868,6, 902-928, 2400-2483,5	2400-2485, 5000
Полоса, МГц	1	2/5	10
Скорость передачи, Кбит/с	250-3000	20, 40, 100, 250	30-60
Тип передаваемой информации	данные (голос)	данные	данные (голос)
Топология	Звезда, ячеистая (scatternet)	Ячеистая (mesh)	Звезда (mesh 802.11s)
Мощность передатчика, мВт	1-100	1-3 (100)	30-100
Дальность, м	1-100	10-75(1500 ZigBee Pro)	100
Потребление, Tx/Rx	15-30 (300)/20-30 мА	45/50 (300) мА	300/100-200 мА
Цена, долл.	20	5	30
Достоинства	помехозащищенность, передача речи	малая мощность излучения, потребление, цена	реализован на мобильных устройствах
Недостатки	недостаточная дальность ( при 1 мВт)	недостаточная скорость в сети	высокое потребление

По результатам анализа выбрана для разработки ИИС технология ZigBee, которая позволяет разрабатывать беспроводные системы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.



2. Проектная часть

2.1 Описание беспроводной технологии Zigbee для систем мониторинга и контроля

Перспективной областью применения стандарта Zigbee являются беспроводные системы считывания показаний различных счетчиков. Данный сегмент рынка крайне обширен, он затрагивает коммунальную сферу, которая является одной из самых многочисленных по количеству потенциальных потребителей. В каждой квартире или жилом доме есть счетчики электроэнергии. Все большее распространение получают счетчики расхода воды, газа.

Использование при создании информационно - измерительной системы (ИИС) стандарта ZigBee позволит разрабатывать ее с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, малому числу внешних пассивных элементов, наличию на рынке готового программного обеспечения.

Выбранный стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности. При применении 64-разрядной адресации в единую сеть в составе ИИС могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств.

Технология ZigBee - это набор протоколов и расширений к международному стандарту IEEE 802.15.4, применение которых для среднескоростного обмена данными по радиоканалу на небольшие расстояния позволяет обеспечить информационную совместимость устройств от разных производителей [4].

Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе нескольких десятков метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов передачи данных в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с. Доступ к каналу передачи данных осуществляется по контролю несущей, то есть устройство сначала проверяет, не занят ли радиоэфир, и только после этого начинает передачу.

Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц, поэтому большинство производимого различными фирмами оборудования работает в этом диапазоне частот. Кроме того, с мая 2007 на указанные частотные диапазоны в России нет необходимости получать лицензию на применение технологии ZigBee.

Радиус охвата устройств Zigbee зависит прежде всего от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети Zigbee измеряется сотнями метров, а в помещении - десятками метров. При этом следует помнить, что зона покрытия объектов сетями ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, т.к. за счет ретрансляции сообщений легко осуществляется наращивание сети.

Для снижения потребляемой мощности задействованного в ИИС оборудования необходимо использовать возможности регламента элементной базы. Так как при нахождении в спящем режиме, изредка прослушивая радиоэфир, составляющие сеть элементы потребляют значительно меньше энергии, становится возможным организовывать работу устройств ZigBee с питанием их от одной батарейки размером ААА в течении двух-трех лет.

К достоинствам технологии ZigBee следует отнести хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления сети в случае сбоев в ее работе и простоту настройки. Это объясняется тем, что при включении питания соседние устройства ZigBee умеют сами находить друг друга и формировать сеть, посредством специального алгоритма и встроенного ПО. В случае выхода из строя одного из элементов сети узлы сети способны самостоятельно установить новые маршруты для передачи сообщений. Поэтому сети ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися.

Ячеистая структура сети ZigBee показана на рисунке 2. Она включает три типа узлов: координатор, маршрутизаторы и конечные узлы (спящие или мобильные).

Задачей координатора является образование (организация) сети, за счет проведения сканирования радиоэфира и выбора наименее загруженного частотного канала передачи данных. Маршрутизаторы предназначены в первую очередь для ретрансляции пакетов данных от одних узлов сети к другим, но и сами могут быть источниками измерительной информации.

Рис. 2.1. Топология беспроводной сети ZigBee

На рисунке: желтым цветом обозначен узел - координатор, красным цветом - маршрутизаторы, конечные узлы обозначены синим цветом

Конечные узлы не ретранслируют сообщений и поэтому могут переходить в режимы пониженного энергопотребления, что дает им возможность функционировать от аккумуляторных батарей в течении нескольких лет. Конечные узлы «общаются» со всей сетью через свой «родительский» маршрутизатор. Выбор «родителя» осуществляется автоматически во время образования сети. Если впоследствии «родительский» узел по каким-либо причинам перестанет функционировать, «дочерний» - конечный узел найдет себе другой «родительский» маршрутизатор.

Для передачи сообщения сеть автоматически находит наиболее короткий маршрут с удовлетворительным качеством связи в обоих направлениях. Если с течением времени какой-либо из маршрутизаторов выходит из строя, то сеть автоматически осуществляет поиск нового оптимального маршрута.

Важной особенностью технологии ZigBee для применения в системах контроля расхода энергоресурсов является возможность защиты передаваемых данных. Шифрование данных осуществляется при помощи алгоритма AES-128 с симметричным ключом, как во время передачи данных в сети, так и во время ее образования. Предварительное занесение ключей шифрования во все узлы позволяет, с одной стороны, не допустить проникновения в сеть посторонних устройств и подмену передаваемых данных, а с другой стороны - делает невозможной расшифровку информации, полученной путем прослушивания радиоэфира.

Способность находить оптимальный маршрут и функционировать при выходе из строя отдельных узлов, малое энергопотребление, возможность защиты информации - важнейшие достоинства ZigBee-сети, позволяющие построить недорогую и надежную ИИС для сбора данных со счетчиков электроэнергии на рассмотренном в работе объекте.

В результате после внедрения таких систем отпадет необходимость в ручном сборе информации в сети электропитания.

2.2 Исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного многоквартирного жилого дома

В данном пункте дипломного проекта на основании характеристик распространения, полученных из литературных источников, экспериментальных измерений, проведенных в рамках выполнения исследовательского раздела дипломного проекта, а также с учетом статистических моделей потерь, анализируются закономерности распространения электромагнитных волн диапазона 400 МГц - 10 ГГц. Характеристики распространения рассматриваются как важный критерий при выборе технологии передачи данных для канала связи.

В качестве типовой стены современного многоквартирного жилого комплекса, внутри которого развертывается беспроводная информационно - измерительная система, можно выбираем стену толщиной t = 30 см. При итоговой оценке затухания сигнала в стенах современных зданий данные будут пересчитываться к этой толщине.

Наиболее сложным препятствием при решении вопроса передачи радиосигнала в многоквартирном жилом доме, имеющем стены и другие преграды, является частотно-зависимое поглощение радиоволн в элементах строительных конструкций.

Снижение частоты, уменьшающее вклад затухания в строительных конструкциях, с целью увеличения дальности действия приемопередатчика приводит его в диапазон частот, активно используемых аппаратурой различного назначения, и поднимает вопрос электромагнитной совместимости с существующими средствами связи.

В данном дипломном проекте исследуется вопрос о величине затухания радиосигнала в различных строительных материалах.

Для того, чтобы иметь возможность сравнивать разнородные данные из различных источников и экспериментов, необходимо привести их к некоторой «типовой» стене. Анализ обобщенной модели современного здания [1] показывает, что основными материалами стен зданий являются кирпич (оштукатуренный), железобетон (с разной арматурой), дерево. Ослабление сигнала в дереве в дальнейшем, в основном, не рассматривается, так как оно существенно меньше, чем в бетоне и кирпиче.

Как следует из обобщенной модели, наиболее часто применяемые типоразмеры кирпичных стен - 380, 510, 640 мм, а железобетонных стен - 100…250 мм + до 50 мм штукатурки. Большие типоразмеры соответствуют внешним стенам зданий, меньшие - внутренним стенам.

Данные в доступных источниках, касающиеся ослабления сигнала в строительных конструкция и материалах, в основном, были получены при разработке систем связи, ставших впоследствии стандартными, т.е. они сосредоточены на соответствующих «стандартных» частотных диапазонах, таких, как 800-900 МГц или 2400 МГц.

Одним из ключевых параметров, характеризующих распространение радиосигнала в помещениях, является ослабление сигнала в строительных материалах и конструкциях. Данные по ослаблению радиосигнала сведены в Таблицу 2.1 [2-9].

Таблица 2.1 Сводные данные по ослаблению радиосигнала в стеновых материалах

В таблице приводятся сведения только для стеновых материалов, а именно бетона и кирпича. При разработке информационно - измерительной системы, будем ориентироваться именно на показатели затухания в стенах знаний, так как показатели ослабления радиоволн в таких строительных конструкциях, как окна, двери, деревянные перегородки, существенно ниже (не превышают 3-5 дБ).

Как видно из таблицы 2.1, данные в ней имеют широкий разброс значений, что вызывает сомнения в достоверности проведенных измерений. Однако после детального изучения этого вопроса удалось понять причину подобного разброса.

На рис. 2.2 приведены выборочные данные из работы [11] по погонному затуханию радиоволнв основных видах строительных материалов (бетон, кирпич и древесина) в зависимости от влажности в диапазоне частот 1-10 ГГц. Из рисунков видно, что погонное затухание во всех этих средах резко растет с увеличением влажности. (Если на этих графиках отложить значения измерений из

Таблицы 2.1, можно понять, при каких условиях были полученные эти данные.) Кроме того, наблюдается резкий рост поглощения с увеличением частоты электромагнитных волн. Этот рост хорошо заметен на рис. 3 из работы [12], полученных по программе DARPA Netex “Through-the-wall propagation and material characterization” (2002).



Рис. 2.2. Частотные зависимости погонного затухания радиоволн (дБ/м) при различных влажностях в цементном растворе (а), кирпиче (б), древесине (в)

В рамках этого исследования измерено ослабление радиосигнала на частотах от 4 до 150 ГГц в различных материалах (бумага, фанера, асфальт, полиэтилен, доска, кирпич, бетонный блок и т.д.; толщина некоторых материалов указана на рисунке).

Рис. 2.3. Частотные зависимости затухания в строительных материалах

Сравнение данных этого графика с данными из рис. 2.2 показывает, что на рис. 2.3 приведены данные ослабления для практически сухих материалов. Из рисунка видно, что скорость роста затухания с увеличением частоты во всех средах резко возрастает, однако в диапазоне частот до 10 ГГц этот рост можно считать равномерным. Как следует из рис. 2.2, в интересующем нас диапазоне частот до 10 ГГц ослабление радиоволн во всех представленных материалах не превышает 10 дБ, за исключением бетонного блока, затухание которое превышает 10 дБ начиная с частоты 8 ГГц.

Экспериментальное исследование характеристик средств ZigBee в условиях квартиры современного дома

Говоря о характеристиках распространения сигнала в диапазоне 400 МГц - 10 ГГц в современных зданиях, следует учитывать, что эта среда с ярко выраженными многолучевыми свойствами. Поэтому на характеристики системы связи влияет не только ослабление сигнала в строительных конструкциях, но и сложная интерференционная картина, возникающая в помещении.

В качестве примера, рассмотрим исследования, проведенные с целью определения реальных характеристик дальности действия систем ZigBee [13, 14]. В статье [13] исследована работа модулей XBee (1 мВт) и XBeePro (60 мВт) в панельном железобетонном жилом доме серии П44Т. Целью эксперимента была оценка дальности связи и скорости передачи данных в реальных, в том числе многолучевых, условиях. Передавались пакеты данных по 32 бита со скоростью 9,6 Кбит/с. Использовались три антенны: антенна 1 с усилением 2,1 дБ, четвертьволновая антенна 2 и чип-антенна 3. Базовая станция отправляла пакеты на переносной модуль, который отправлял принятые пакеты обратно. В эксперименте осуществлялась оценка уровня сигнала и количество потерянных пакетов. Схема расположения модулей показана на рис. 2.4, результаты измерений приведены в Таблице 2.2.

Следует отметить, что устойчивая радиосвязь наблюдалась только в том случае, когда и базовая станция и переносные модули были представлены устройствами XBee-PRO с мощностью излучения 60 мВт. При этом расстояния между базой и всеми приемопередатчиками не превышало 13 м. Радиосвязь с переносными устройствами XBee с мощностью излучения 1 мВт была возможна только при использовании базы XBee-PRO с антенной 1 с усилением 2,1 дБ. Как следует из таблицы 2.2, при замене базового устройства на XBeeи переходе на четвертьволновую и печатную антенны, уровень сигнала падал на 9-13 дБ, поэтому связь наблюдалась только с точками 1 и 4 на расстоянии соответственно 6 и 5 м (прохождение через одну стену).

Рис. 2.3. Расположение модулей в помещении

Таким образом, в условиях городской квартиры устройства ZigBee с мощностью излучения 1 мВт способны работать через железобетонную стену на расстоянии до 6 м. Если на пути сигнала стоят 2 стены, связь становится невозможна.

Таблица 2.2. Результаты измерений уровня сигнала систем ZigBee

Комбинация оборудования	Уровень сигнала от переносного модуля, расположенного в точке
База	Переносные модули	1	2	3	4	5
XBee-PRO (Ант-1)	ХВее (Ант-2)	-79	-88	-101	-69	Неисп.
ХВее (Ант-2)	ХВее (Ант-3)	-88	Нет связи	Нет связи	-82	Неисп.

Кроме того, как отмечено в статье, вследствие многолучевого распространения «… при слабом уровне сигнала (ниже -85 дБ) смещение приемника ZigBee на 2-3 см приводит к увеличению количества потерянных пакетов с 20% до 90%». Это говорит о том, что в помещении создавалась ярко выраженная мелкомасштабная интерференционная картина, и при произвольном расположении приемника и передатчика в помещении количество потерянных пакетов могло принимать любые значения в указанном интервале 20…90%.

Технология ZigBee имеет определенные достоинства, и при доработке (и выходе за пределы ограничений соответствующих стандартов) на ее основе могут быть построены требуемые средства беспроводной передачи данных.

По результатам анализа выбрана для разработки ИИС технология ZigBee, которая позволяет разрабатывать беспроводные системы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности.

2.3 Разработка структурной схемы беспроводной информационно - измерительной системы учёта энергоресурсов для многоквартирных жилых комплексов

Информационно - измерительные системы: структура и состав

Постоянное совершенствование и развитие средств измерений необходимо для промышленного производства, научных исследований, производственных испытаний и контроля, автоматического управления объектами и технологическими процессами.

В прошлом основными средствами измерений являлись измерительные приборы - цифровые вольтметры, частотомеры, осциллографы, с помощью которых измерялись одна или несколько физических величин, постоянных или медленно изменяющихся во времени.

В последние десятилетия к средствам измерения стали предъявлять более серьезные требования:

- быстрые одновременные измерения десятков, сотен и тысяч различных физических величин;

- длительные измерения в течение часов, дней и месяцев;

- измерения в темпе с протекающими явлениями и процессами;

- высокая, ранее не достижимая точность измерений.

Измерительные процессы полностью или частично автоматизированы, так как часто проходят в опасных и тяжелых условиях; вследствие того, что необходимы измерения с высокой скоростью и точностью большого числа физических величин с последующей обработкой их результатов.

Решение этих проблем привело к появлению нового класса средств измерений - информационно-измерительных (или измерительно-информационных) систем (ИИС).

ИИС предназначены для автоматического сбора и обработки больших массивов измерительной информации, с целью выработки надежных суждений о поведении объектов или ходе технологических процессов. Помимо измерений в ИИС вырабатываются обобщенные показатели и суждения.

Простейшими информационными процессами, протекающими в ИИС, являются измерение, контроль, техническая диагностика, распознавание образов, счет объектов или событий. Измерение состоит в экспериментальном нахождении значения физической величины с помощью средства измерения, сравнения этой величины с измерительной шкалой, мерой или набором мер.

Контроль заключается в установлении соотношения между состояниями объекта контроля - значениями физических параметров и заданными их нормами, определяющими качественно различные состояния объекта. Параметрами являются существенные свойства объекта.

В зависимости от вида протекающих в ИИС информационных процессов различают пять классов ИИС:

- измерительные системы (ИС);

- системы автоматического контроля (САК);

- системы технической диагностики (СТД);

- системы распознавания образов;

- телеизмерительные системы (ТИС).

Отличительной особенностью ТИС является значительная удаленность объектов исследований от центрального пункта системы: на расстояния единиц, десятков и более километров (космические системы). Это обстоятельство требует введения в систему протяженных каналов передачи данных.

Независимо от класса во всех ИИС выполняются множественные автоматические измерения и цифровая обработка их результатов

Представим обобщенную структурную схему, которая включает в себя несколько частей, присутствующих в большинстве ИИС. В структурной схеме, представленной на рис.2.5, конкретной ИИС могут отсутствовать отдельные части и блоки.

Рис. 2.5.Обобщенная структурная схема информационно - измерительной системы

На схеме используются следующие обозначения: Д - датчики физических величин; АЛС, ЦЛС - соответственно, аналоговая и цифровая линии связи; АЧ, ПДС - аналоговая часть и подсистема сбора данных; АЦЧ, ЦЧ - соответственно, аналого-цифровая и цифровая части; ПОИ - подсистема отображения информации; Оп - инженер-оператор, наблюдающий за работой системы.

Тонкими линиями на схеме обозначены аналоговые сигналы, жирными - цифровые сигналы, двойными - множество сигналов (сигнальные шины).

На объекте установлены датчики Д, являющиеся источниками измерительных сигналов, статусных сигналов о состоянии объекта и аварийных сигналов. Поскольку датчики часто работают в тяжелых производственных условиях, электронная аппаратура подсистемы сбора данных ПСД удалена от объекта. Передача выходных сигналов датчиков выполняется по аналоговым линиям связи АЛС. Датчики, линии связи АЛС и подсистема ПСД входят в состав аналоговой части АЧ.

В аналого-цифровой части АЦЧ выполняется преобразование аналоговых измерительных сигналов в цифровые, удобные для обработки на ЭВМ. Кроме того, в АЦЧ часто выполняется предварительная обработка измерительной информации.

Из АЦЧ цифровые сигналы передаются по цифровым линиям связи ЦЛС в цифровую часть ЦЧ, содержащую одну или несколько ЭВМ. Это специальные ЭВМ производственного применения, выполняемые в виде печатных плат, содержащие микропроцессоры и устройства памяти.

Эти ЭВМ могут быть связаны каналами передачи данных с ЭВМ более высокого уровня. Результаты измерения и контроля поступают в подсистему отображения информации (ПОИ), для предоставления инженеру-оператору (Оп) в удобной форме.

В процессе работы ИИС могут выполняться воздействия на объект: тестовые или с целью изменения условий или режимов работы. Команды и управляющие воздействия формируются в ЦЧ, передаются по линиям ЦЛС в АЦЧ и далее воздействуют на объект с помощью исполнительных органов.

Аналоговые и дискретные сигналы передаются в подсистему сбора данных по аналоговым линиям связи. Несмотря на наличие дискретных датчиков и прохождение по отдельным блокам дискретных сигналов, условно называем эту подсистему ИИС аналоговой частью.

Подсистема сбора данных принимает выходные сигналы всех датчиков. В ее состав входят устройства нормализации или кондиционирования, улучшающие качество измерительных сигналов: измерительные усилители, аналоговые фильтры, устройства гальванической развязки, преобразователи уровней.

Основным назначением АЦЧ является преобразование аналоговых измерительных сигналов в цифровые сигналы, удобные для обработки на ЭВМ. В АЦЧ осуществляются также обратные преобразования цифровых управляющих сигналов в аналоговые управляющие воздействия, подаваемые на исполнительные органы, воздействующие на объект исследований. Примерами исполнительных органов являются вакуумные насосы, нагревательные печи, электроприводы, тяговые электромагниты и др. В состав АЦЧ входит ряд устройств.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют мгновенные значения аналоговых сигналов в цифровые сигналы, как правило, двоичные или реже - двоично-десятичные коды.

Устройства выборки и хранения (УВХ) выполняют захват мгновенного значения аналогового сигнала и его запоминание на время, достаточное для проведения аналого-цифрового преобразования.

Микроконтроллеры представляют собой микро-ЭВМ, имеющие дополнительные блоки памяти, порты ввода-вывода данных и периферийные устройства: АЦП, таймеры, счетчики событий и др.

Микроконтроллеры изготавливаются в виде интегральных схем (размеры - сантиметры), потребляют небольшую мощность (ватты), достаточно дешевы (сотни рублей). Они управляют опросом датчиков, обработкой данных, диалогом с цифровой частью ИИС.

Входные и выходные сигналы цифровой части (ЦЧ) имеют исключительно цифровую форму - двоичных или, реже, двоично-десятичных кодов. В состав ЦЧ входят следующие устройства:

- цифровые процессоры, построенные на базе микро-ЭВМ;

- специализированные цифровые процессоры; например, связные или RISK- процессоры;

- устройства памяти;

- приемно-передающие устройства, обеспечивающие связь ЦЧ с ЭВМ более высокого уровня.

В цифровой части решаются следующие задачи:

- управление работой блоков ИИС;

- конечная обработка измерительной информации;

- определение обобщенных (интегральных) показателей - средних или экстремальных значений, показателей размаха и др.;

- определение зависимостей, трендов, исправности устройств, выработка суждений, прогнозирование развитий, распознавание образов;

- подготовка результатов обработки для инженера-оператора или ЭВМ;

- ведение архивов физических процессов, результатов экспериментов, состояния аппаратуры и объекта;

- диалог с ЭВМ более высокого уровня.

Подсистема отображения информации (ПОИ) предоставляет оператору обработанные измерительные данные в форме цифровых массивов, таблиц, показателей, зависимостей, суждений, образов; результаты логического анализа текущих и архивных данных; итоговый отчет о работе ИИС. Подсистема включает в себя дисплеи, принтеры, графопостроители, регистраторы, цифровые табло, мнемосхемы, пульты управления и др.

Несмотря на автоматизацию большинства операций в работе ИИС участвуют инженеры-операторы, наблюдающие за поведением системы, своевременно вмешивающиеся в ее работу в критических ситуациях, планирующие программы исследований и экспериментов.

Управление работой ИИС выполняет ЦЧ (или ЭВМ более высокого уровня) с использованием банка программ управления. Задачами управления являются:

· сбор измерительной, статусной и тревожной информации;

· формирование команд управления блоками ИИС;

· формирование команд управления исполнительными механизмами, воздействующими на объект исследований;

· прием и исполнения команд оператора или ЭВМ более высокого уровня.

Части и подсистемы ИИС связаны между собой каналами передачи информации. Рассмотрим виды передаваемых по ним сигналов (информации, данных), отличающихся по своему назначению:

· измерительные сигналы;

· статусные и тревожные сигналы;

· служебные, командные и управляющие сигналы.

Первые два вида сигналов подробно рассматривались ранее. К служебным сигналам относятся:

· адреса устройств и блоков;

· режимы работы, рабочие диапазоны, значения параметров блоков;

· моменты времени, к которым относятся данные;

· информация об ошибках, сбоях, отказах отдельных устройств.

С помощью команд изменяются состояние и режимы функционирования блоков ИИС. Приведем примеры команд: начать/закончить, записать/считать, включить/выключить и др.

Управляющие сигналы инициируют изменение одного или нескольких параметров ИИС; изменение параметров исследуемого объекта или подачу на него внешних воздействий.

Разработка структуры информационно - измерительной системы учета энергоресурсов

Рассматриваемая в дипломном проекте беспроводная информационно - измерительная система учёта энергоресурсов строится как иерархическая, многоуровневая распределенная автоматизированная система сбора, передачи, консолидации и обработки данных:

? Локальный уровень - Система контроля и учёта подстанций;

? Региональный уровень - Система контроля и учёта региональных центров сбора и обработки информации;

? Центральный уровень - Система контроля и учёта центра диспетчерской службы распределительной энергетической компании;

? Верхний уровень - Система контроля и учёта оптового рынка энергоресурсов.

На локальном уровне в состав системы входят:

? информационно-измерительный комплекс (ИИК), в составе которого имеются измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные цепи; счетчики электроэнергии.

? устройства сбора и передачи данных (УСПД);

? устройства телекоммуникации;

? устройства синхронизации системного времени (УССВ);

На региональном и центральном уровнях в состав системы входят:

? сервера и базы данных для обработки информации;

? автоматизированные рабочие места (АРМ);

? устройства телекоммуникации;

Структурная схема беспроводной информационно - измерительной системы учёта энергоресурсов для многоквартирных жилых комплексов представлена на рисунке 2.6.

Архитектура программы

На основе радиомодулей строится самоорганизующаяся сеть передачи данных, каждый узел которой является приёмником и передатчиком, а также ретранслятором для соседних узлов. Выход из строя одного или нескольких узлов не сказывается на работоспособности сети в целом, поскольку маршруты прохождения пакетов данных от узла к узлу автоматически корректируются с учётом вышедших из строя повреждённых узлов. В рассматриваемом в настоящем дипломном проекте варианте радиомодули устанавливаются по одному на каждой лестничной площадке, а также непосредственно рядом с общедомовым контроллером, передающим сигнал в управляющую компанию.

Комплекс технических средств является набором программных модулей и взаимодействующих с ними контроллеров. Он предназначен для опроса точек учета в соответствии с конфигурацией объектов учёта в базе данных (БД). Позволяет автоматизировать сбор и обработку показаний с приборов учета потребления электроэнергии.

На рис. 2.7 представлены программно-аппаратные компоненты комплекса технических средств, использующиеся в автоматизированном процессе учёта энергоресурсов.

Рис.2.7. Программно-аппаратные компоненты КТС.

Программа «Сервер опроса» обеспечивает: автоматизированный опрос контроллеров по графику и в ручном режиме; сохранение данных, считанных с контроллеров в БД; визуализацию и управление процессом опроса контроллеров; составление конфигурации объектов учёта с сохранением в БД и их опроса; построение отчётов по показаниям приборов учёта, полученных при опросе контроллеров.

Архитектура модуля «Сервер опроса»

Программные модули PS («Сервер опроса»), PSConfig («Конфигуратор сервера опроса») и БД MS SQL Server могут работать только совместно, посредством взаимодействия через базу данных (рисунок 7). Раздельное использование модулей не имеет применений в соответствии с концепцией программного обеспечения КТС.

Рис. 2.8. Диаграмма связи модулей PS («Сервер опроса»), PSConfig («Конфигуратора сервера опроса») и БД MS SQL Server.

Для доступа к базе данных MS SQL Server со стороны модулей PS («Сервер опроса») и PSConfig («Конфигуратор сервера опроса») используется технология ADO. Функционально межмодульная связь в данном случае проявляется следующим образом:

- администратор системы посредством визуального интерфейса модуля PSConfig, формирует конфигурацию объектов энергосистемы для последующего использования в автоматизированном опросе и обработке считанных показаний приборов учёта. Сформированная конфигурация объектов учёта сохраняется в таблицах базы данных MS SQL Server.

- при запуске сервер опроса - PS («Сервер опроса») считывает конфигурацию объектов учёта из базы данных MS SQL Server и создаёт план опроса. После проведения опроса, данные, считанные модулем PS («Сервер опроса») сохраняются в базе данных для последующей обработки.

Администратор системы посредством визуального интерфейса модуля PSConfig, имеет возможность обработки полученных данных, в виде процедуры построения отчётов.

Программа позволяет опрашивать счетчики посредством использования коммуникационного сервера ПО «Сервер соединений».