Размещено на http://www.allbest.ru/

Черкаський державний технологічний університет

УДК 004.722:681.5.01

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.05 - Комп'ютерні системи та компоненти

Моделі, методи та компоненти для комп'ютерних систем пожежни сигналізацій на базі технології ZigBee

Куценко Станіслав Васильович

Черкаси - 2011

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі пожежно-профілактичної роботи в Академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля Міністерства надзвичайних ситуацій України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Мусієнко Максим Павлович, Чорноморський державний університет ім. Петра Могили, професор кафедри інформаційних технологій та програмних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Рудницький Володимир Миколайович, Черкаський державній технологічний університет, завідувач кафедри системного програмування; доктор технічних наук, професор Ситніков Валерій Степанович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри комп'ютерних систем.

Захист відбудеться 19 травня 2011 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий 18 квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Палагін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Забезпечення ефективної пожежної безпеки об'єктів і територій потребує вирішення цілого комплексу завдань, пов'язаних як із участю людини, так і з наявністю різних систем пожежної безпеки: сигналізацій, засобів пожежогасіння тощо. Останнім часом на ринку надання послуг протипожежного захисту запропоновано велику кількість рішень, що істотно відрізняються як апаратним та програмним забезпеченням, так і пов'язаними з цим функціональними можливостями комплексів, а, відповідно, і вартістю.

Для визначення факту пожежі останнім часом застосовуються пожежні сигналізації (ПС), що побудовані із використанням сучасних різноманітних комп'ютерних систем (КС). Розробкою таких систем та компонентів до них займається велика кількість вчених та спеціалістів: Ф.І. Шаровар, С.Б. Шеховцов, Ю.Г. Стоян, О.А. Деревянко, Є.В. Буров, Г. Дубінський, В.М. Шарапов, А.М. Куценко, А.В. Єрємєєв, M.S. Daskin, Z. Drezner, C. Toregas та багато інших.

Для передачі інформації в таких системах використовують різні канали і технології передачі даних, як дротові (з використанням стандартів HPNA, CEBus, EIB тощо), так і канали радіозв'язку (з використанням протоколів WAP, GPRS, EDGE тощо).

Перспективними є пожежні сигналізації, в яких застосовані комп'ютерні системи на базі бездротових технологій передачі даних, основними плюсами яких є висока швидкість розгортання мережі і встановлення первинних перетворювачів, систем контролю і виконавчих механізмів, низька вартість робіт по монтажу устаткування, легка реконфігурація (бездротові первинні перетворювачі можуть встановлюватися майже в будь-якому місці в межах чутливості приймача). Як приклад ПС на базі бездротових КС можна навести такі системи, що представлені на ринку України: ПЦН GSM-900/1800 серії «Орлан» (Україна), ППКП серії «Макс» (Україна), системи фірми Satel (Польща), системи «Стрелець» (Росія) тощо.

В якості бездротової технології найчастіше застосовують технологію GSM. Для передачі сигнальної інформації застосовують SMS та GPRS сервіси. Проте такі сервіси не мають пріоритету у передачі даних (найвищий пріоритет у голосовому каналі CSD), а отже, при великому навантаженні мережі можлива відсутність оперативної передачі сигнальної інформації, що є недопустимим у пожежних і охоронних системах. Противагу GSM технології складають персональні технології, такі як Bluetooth, ZigBee тощо.

Проте при розробці та побудові бездротових комп'ютерних систем пожежних сигналізацій на базі нових технологій бездротової передачі даних виникає чимало важливих науково-технічних питань, які потребують вирішення: оптимальне розміщення первинних перетворювачів в мережі, вибір типу бездротової технології передачі даних, забезпечення завадостійкості, гарантований зв'язок між передавачами мережі для надійної передачі інформації, довготривала автономна робота компонентів системи тощо. Отже розробка нових методів моделей та компонентів комп'ютерних систем для підвищення ефективності роботи пожежних сигналізацій на базі бездротових технологій є вельми актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до завдань таких програм: “Концепція наукового забезпечення діяльності МНС України” (2006 р.); “Програма забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року” (Накази МНС України № 761 від 30.07.2002 р. та № 442 від 12.07.2006 р.); “Концепція наукової діяльності Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України на 2005 - 2010 роки” (протокол Вченої ради № 1 від 24.09.2004 р.); до завдань держбюджетної науково-дослідної роботи Академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля “Розроблення теоретичних основ побудови систем пожежної сигналізації на базі технології ZigBee” (номер державної реєстрації 0110U001025) та науково-дослідної роботи Черкаського державного технологічного університету “Розроблення фундаментальних основ створення автономних малогабаритних енергонезалежних джерел напруги на основі п'єзоелектричних елементів” (в рамках гранту Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених за фінансової підтримки Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України у 2008 році (номер реєстрації GP/F26/0142).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційного дослідження є підвищення ефективності роботи пожежних сигналізацій шляхом вдосконалення бездротових комп'ютерних систем пожежних сигналізацій за рахунок розробки нових моделей, методів та компонентів таких систем на базі технології ZigBee.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

провести аналіз існуючих методів та моделей побудови комп'ютерних систем та компонентів пожежних сигналізацій для визначення шляхів підвищення ефективності їх роботи;

розробити методи побудови топологій комп'ютерних мереж із стельових та настінних первинних перетворювачів пожежних сигналізацій (ПППС) із застосуванням бездротової технології передачі даних ZigBee;

удосконалити метод визначення граничних відстаней між компонентами бездротової комп'ютерної мережі на основі застосування променевих моделей за рахунок розробки методу перебору багатопроменевих моделей із наближенням різниці потужностей сигналів до заданого значення;

запропонувати та дослідити схемофункціональне моделювання блоків комп'ютерних систем;

розробити та провести експериментальні дослідження зразків комп'ютерних систем та компонентів пожежних сигналізацій на базі технології ZigBee та елементів програмного забезпечення.

Об'єкт дослідження - процес побудови комп'ютерних систем пожежних сигналізацій.

Предмет дослідження - моделі, методи та компоненти для побудови комп'ютерних систем пожежних сигналізацій на базі бездротових технологій. бездротовий комп'ютерний пожежний сигналізація

Методи дослідження. Для розв'язання поставленої задачі використовувалися методи теорії автоматичного керування, теорії коливальних систем із зосередженими параметрами, теорії електричних ланцюгів, методи електромеханічних аналогій. Для розміщення пожежних первинних перетворювачів використовувалися теорія алгоритмів, а також теорія рішення задач розміщення та покриття. Для аналізу перетворювачів використані також методи функціонального, схемотехнічного і математичного моделювання, фізичні експерименти на макетах і дослідних зразках, методи теорії ймовірності і математичної статистики.

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними і залежностями, виготовленням дослідних зразків і їх випробуваннями.

Наукова новизна одержаних результатів:

отримав подальший розвиток метод побудови топологій комп'ютерних мереж із стельових ПППС за рахунок застосування реперних точок, двократного рішення задачі розміщення з урахуванням різнотиповості компонентів мережі, що дозволяє будувати топології комп'ютерних мереж із стельових та настінних ПППС із застосуванням бездротової технології передачі даних ZigBee;

вперше розроблено метод побудови топологій комп'ютерних мереж із стельових та настінних ПППС для побудови єдиної мережі в межах одного приміщенні, що має дві реалізації - при поетапній побудові стельових, а потім настінних перетворювачів і при одночасному їх розміщенні, що дозволяє зменшити кількість радіовузлів комп'ютерних мереж пожежних сигналізацій;

отримав подальший розвиток метод визначення граничних відстаней між радіокомпонентами бездротової комп'ютерної мережі на основі застосування променевих моделей за рахунок розробки методу перебору багатопроменевих моделей із наближенням різниці потужностей сигналів до заданого значення, що дозволяє розташовувати радіокомпоненти комп'ютерної мережі на відстанях з гарантованим зв'язком між ними;

вперше запропоновано і досліджено схемофункціональне моделювання блоків комп'ютерних систем, в якому моделювання первинного перетворювача здійснюється на функціональній рівні, а мікроконтролерної частини - на схемотехнічному, що дозволяє спростити процес моделювання блоків комп'ютерних систем пожежних сигналізацій.

Наукова й інженерно-технічна новизна результатів і досліджень підтверджується публікаціями і патентами України.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Практична цінність роботи полягає в доведенні здобувачем отриманих наукових положень до конкретних інженерних рішень, що дозволило побудову та експериментальну перевірку дослідних зразків комп'ютерних систем пожежних сигналізацій та їх компонентів.

2. Pозроблені методи побудови топологій комп'ютерних мереж пожежних сигналізацій дозволяють скоротити час на визначення факту пожежі до 40 %, а також зменшити кількість радіовузлів у комп'ютерній системі на 36-54 %.

3. Застосування запропонованого схемофункціонального моделювання блоків комп'ютерних систем дозволило розробити типові радіовузли на базі модулів ZigBee із автономним живленням із використанням п'єзокерамічних ПППС.

4. Розроблено програмні продукти (з використанням об'єктно-орієнтованих мов програмування), що дозволяють моделювати топологічні структури комп'ютерних систем пожежних сигналізацій на базі технології ZigBee.

5. Проведені розрахунки на прикладі побудови бездротової сигналізації для 11-го корпусу Чорноморського державного університету ім. Петра Могили в м. Миколаєві показали, що використання запропонованих в роботі рішень дозволяє економити до 14 % виділених фінансових ресурсів.

6. Результати дисертаційного дослідження впроваджено в навчальному процесі двох вищих навчальних закладах: в Академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України та Чорноморському державному університеті ім. Петра Могили (м. Миколаїв), а також в ПП “Бастіон” (м. Черкаси).

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційного дослідження отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: пропозиція та дослідження застосування коефіцієнтів зменшення довжини інформаційних каналів [1]; проведення моделювання поліфункціональних моносенсорних п'єзокерамічних перетворювачів для комп'ютерних систем пожежних сигналізацій [2, 3, 14, 15]; аналіз та визначення перспективності та сфери застосування технології ZigBee [4, 12, 16, 17]; розв'язок оптимізаційної задачі розміщення підрозділів МНС [5]; розробка методу визначення граничних відстаней між радіокомпонентами бездротової комп'ютерної мережі [6, 7]; отримання математичної моделі розповсюдження сигналів в приміщенні при застосуванні технології ZigBee [7]; розробка методу побудови топологій комп'ютерних мереж пожежних сигналізацій із радіовузлів, стельових та настінних перетворювачів [8, 18]; аналіз предметної області дослідження; обґрунтування необхідності розробки нових систем пожежної безпеки стаціонарних об'єктів [9-11]; аналіз та проведення математичного моделювання комп'ютерних систем пожежних сигналізацій всередині приміщень [13]; розробка та дослідження сумісного застосування технологій GSM/ZigBee стандартів в пожежних сигналізаціях [19]; проведення експериментальних досліджень [6, 20 - 22].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційного дослідження доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: міжнародній НПК “Пожежна та техногенна безпека” (Черкаси, 2005); міжнародній НПК «Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту» (Черкаси, 2006); ІІІ міжнародній НПК “Наука и образование без границ - 2007” (Софія, Болгарія, 2007); міжнародній НПК “Пожежна безпека - 2007” (Черкаси, 2007); НПК «Актуальні проблеми технічних, природничих та соціально-гуманітарних наук в забезпеченні цивільного захисту» (Черкаси, 2008); IХ міжнародній НПК “Современные информационные и электронные технологии - 2009” (Одесса, 2009); VІII-й НТК “Приладобудування 2009: стан і перспективи” (Київ, 2009); Third International Conference “Computer science & engineering - 2009” (Львів, 2009); V міжнародній НТК «Датчики, прилади та системи - 2009» (Ялта, 2009); міжнародній НПК “Ольвійський форум-2010: стратегії України в геополітичному просторі” (Ялта, 2010); ІV міжнародній НПК “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (Кременчук, 2010).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 22 наукові праці, в тому числі 8 статей у виданнях, що входять до переліку ВАК України, 11 тез доповідей на наукових конференціях та 3 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 178 сторінок, в тому числі 146 сторінок основної частини. Дисертація містить 73 рисунки, 9 таблиць, список використаних джерел із 103 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність напряму досліджень, наведено зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, відображено наукову новизну, практичну цінність роботи і особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію, публікації та використання результатів дослідження.

У першому розділі наведено аналіз існуючих комп'ютерних систем та компонентів пожежних сигналізацій на базі бездротових технологій, а також існуючих моделей, методів та засобів створення таких систем та компонентів.

У роботі проаналізовано наявні комп'ютерні системи пожежної сигналізації як вітчизняного, так і закордонного виробництва. Показана перевага бездротових пожежних сигналізацій, проведений аналіз існуючих таких ПС. Визначено, що найбільш вдалою є система російського виробництва «Стрілець». Проте вона теж має ряд істотних недоліків: обмежена кількість елементів в мережі; порівняно складна ієрархічна структура; обмежений об'єм передавальної інформації через застосування частоти 433МГц. Отже в роботі поставлено завдання удосконалити існуючі системи ПС. Для цього необхідно вибрати технологію бездротової передачі даних. Проведений аналіз більшості існуючих технологій дозволив вибрати оптимальну для вирішення завдання - технологію ZigBee.

Іншим важливим елементом є завдання розміщення ПППС. В роботі проаналізовані існуючі методи їх розміщення, вказані недоліки та визначені шляхи їх подолання. Крім того, при бездротовій передачі інформації важливим елементом є забезпечення гарантованого зв'язку між радіовузлами. Для рішення цієї задачі здійснюють моделювання каналів зв'язку. Проведений аналіз дозволив виявити особливості та недоліки існуючих методів моделювання для вирішення завдань розповсюдження радіосигналів у приміщеннях. Визначено, що найкраще використовувати променеві моделі.

Таким чином, аналіз, проведений в першому розділі, дозволив виявити ряд завдань, вирішенню яких присвячений матеріал наступних трьох розділів, а саме, побудові комп'ютерних систем ПС всередині приміщень на базі технології ZigBee.

У другому розділі наведено результати розробки моделей та методів побудови топологій комп'ютерних мереж бездротових пожежних сигналізацій, а саме: розглянуті питання розміщення ПППС, побудови комп'ютерної мережі передачі даних із застосуванням технології ZigBee, моделі поширення сигналів всередині приміщень і побудова єдиної мережі ПС, яка охоплює ПППС усіх типів в одну мережу.

Вперше в роботі розроблений метод побудови мережі бездротових ПППС на базі використання технології ZigBee, який дозволяє будувати мережі зі швидкою фіксацією факту займання пожежі, визначати точки розміщення радіомодулів, тип з'єднання (дротове або бездротове), а також визначати типи радіомодулів (координатор, роутери або кінцеві пристрої) в мережі ZigBee. Реалізація методу полягає у виконанні чотирьох етапів:

- визначення реперних точок для розміщення первинних перетворювачів (для зменшення часу спрацьовування ПС);

- рішення задачі покриття неконтрольованою реперними ПППС зони стелі;

- визначення точок мережі, в яких розміщуються радіомодулі ZigBee (визначення дротового та бездротового з'єднання);

- визначення типів радіомодулів ZigBee (координатор, роутер, кінцевий пристрій).

Для вирішення завдання третього етапу початковими даними є максимально можлива відстань дротового з'єднання L, множина точок розміщення радіовузлів (модулів ZigBee) R = {r₁…r_n}, множина точок, в яких немає радіомодулів, тобто в яких ПППС з'єднуються дротовим зв'язком із радіовузлом: Р = {р₁…р_m}, відстані між ПППС та радіовузлом l(r, p). У завданні стає задача знайти множину S R мінімальної потужності, при цьому для кожного p ? P повинен існувати хоч би один s ? S такий, що l(s, p) ? L . Для розв'язку задачі є наступні початкові дані:

X = {1,…, m} - множина точок ПППС;

Y = {1,…, n} - множина потенційних точок розміщення радіовузлів;

- максимальна кількість ПППС, що може під'єднуватися до радіовузлу в точці y (визначається апаратними можливостями модулів ZigBee);

L ? 0 - радіус покриття точки x;

l(y,x) ? 0 - відстань між ПППС та радіовузлом.

Призначаються значення змінним: при рішенні розмістити радіовузол (модуль ZigBee) в точці y і під'єднати до нього ПППС x: z_xy = 1; при рішенні не з'єднувати ПППС x і радіовузол y: z_xy = 0. Таким чином, отримується матриця значень:

.

Вводяться функції:

К_y(Z)

F_x(Z).

Для рішення задачі вводиться функція g_y, яка приймає значення «1», якщо К_y(Z) 1, та «0», якщо К_y(Z) = 0.

В задачі знаходяться такі рішення для Z_xy, при яких виконується:

при обмеженнях

F_x(Z) (1)

що визначає з'єднання кожного ПППС із модулем ZigBee,

К_y(Z) (2)

що обмежує кількість ПППС, що можуть бути під'єднаними до окремого модуля ZigBee,

(3)

що обмежує відстань дротового з'єднання ПППС із радіовузлом.

Для вирішення завдання четвертого етапу використовується цей же алгоритм, тільки точка ПППС замінюється типом модуля "End device", а радіовузол - роутером. Координатор мережі визначається розробником з урахуванням найкращого виведення інформації з мережі.

У роботі вперше запропонований метод розміщення стельових та настінних ПППС для побудови єдиної комп'ютерної мережі в об'ємі одного приміщенні, що дозволяє зменшити вартість мереж пожежних сигналізацій. Цей метод має дві реалізації:

- поетапна побудова єдиної мережі, коли спочатку будується мережа на стелі, а потім до неї додається мережа ПППС на стінах;

- одночасна побудова всієї мережі.

У першому випадку початковими даними для побудови мережі є:

Y = {1,…,n} - множина точок розміщення модулів ZigBee із стельовими ПППС (радіовузлів);

R = {1,…,m} - множина можливих точок розміщення настінних ПППС;

- максимальна кількість ПППС, що може під'єднуватися до радіовузла y;

L_r - максимально можлива довжина дротового з'єднання для ПППС r;

W_r - максимально можлива довжина бездротового з'єднання для ПППС r;

Р - максимальна відстань між ПППC на стінах;

l(y, r) - довжина дротового з'єднання між ПППС та радіовузлом;

w(y, r) - відстань між радіовузлом та ПППС (найменша геометрична відстань між двома точками).

Для вирішення завдання розміщення створюється набір підмножин, що задовольняє умовам l(y,r) ? L_r w(y,r) ? W_r, тобто утворюється множина можливих рішень

M_R = ,

де f - найближча до r точка розміщення модуля ZigBee на стелі.

Розв'язком оптимізаційної задачі буде така топологія мережі з множини M_R, яка задовольняє умові:

, , .

Відбір по вказаних критеріях відбувається послідовно зліва направо, при обмеженні

що дозволяє не порушувати вимоги норм про максимальну відстань між двома сусідніми настінними ПППС.

При цьому залишаються обмеження (1) - (3), тільки індекс "x" замінюється індексом "r", а значення на значення .

У другому випадку - при одночасному розміщенні ПППС, об'ємна модель перетворюється в площинну (рис. 1) і відбувається розв'язання запропонованої вище задачі при розміщенні стельових перетворювачів і модулів з урахуванням додаткових вхідних даних і обмежень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Перетворення об'ємної моделі в площинну

Розроблені методи побудови реалізовані в програмі, що написана на мові С++.

Важливим питанням при розробці бездротових ПС є забезпечення гарантованого зв'язку між передавачами мережі. Для його забезпечення необхідно витримати дві умови: підібрати необхідну відстань між передавачами (не занадто маленьку, щоб не збільшити кількість елементів мережі, і не занадто велику, щоб забезпечити гарантований зв'язок між радіовузлами); розмістити в місці, де були б відсутні (чи були б не істотними) спотворення сигналу передачі даних (зниження сигналу через дифракції, інтерференції тощо).

На канал зв'язку, окрім геометричних параметрів будівлі, істотно впливає розміщення багатьох віддзеркалювальних поверхонь: меблів, килимів, людей, устаткування тощо, деякі з яких можуть змінювати своє розташування або рухатися. При передачі інформації в приміщенні необхідно розглядати багатоканальну модель передачі даних, яка утворюється каналом прямої передачі даних і численними віддзеркаленнями від поверхонь із врахуванням типів цих поверхонь. Загальний вираз потужності сигналу для такої моделі для передачі даних із застосуванням технології ZigBee має вигляд (з урахуванням тільки прямих і віддзеркалених променів):

де l - відстань між радіовузлами; l₀ - будь-яка стандартна відстань із заміряним рівнем потужності P(l₀); - коефіцієнт, який залежить від типу поляризації сигналу; - діелектрична проникність поверхні віддзеркалення;

N - кількість каналів, які утворюються j-ми віддзеркаленнями від поверхонь з діелектричною проникністю поверхні ; _j - кут падіння променя сигналу передачі інформації:

,

де - відстані до поверхонь віддзеркалення для передавального й приймального модуля.

Деякі з результатів моделювання приведені на рис. 2.

Рис. 2. Залежність потужності сигналу від відстані між радіовузлами (l) та відстані до однієї зі стін (a₁): а - для п'ятипроменевої моделі; б - для шестипроменевої моделі

У розрахунках розглядалося розміщення передавачів біля стін на висоті 1-1,5 м, при зміщенні одного з модулів уздовж стіни (зміна параметру а₁) в порожній кімнаті. Як видно з рис. 2, будь-які зміни в розташуванні перетворювачів призводять до зменшення рівнів сигналів приблизно на 30-40 дБ. Це пояснює зменшення на порядок відстані передачі інформацією в приміщеннях (до 20-30 м) на відміну від відкритої місцевості (до 1000 м). Проте при чутливості ZigBee модулів на рівні -90...-110 дБ у рамках однієї кімнати такий вплив не є перешкодою для передачі інформації.

Зі збільшенням кількості променів в моделі збільшується відповідність моделі реальній залежності, проте при цьому істотно зростає складність її математичного опису і, відповідно, процесу моделювання. Тому в роботі ставилося завдання визначення оптимальної кількості променів в моделях.

Для цього був запропонований метод, заснований на переборі варіантів віддзеркалень (тобто переборі багатопроменевих моделей) з наближенням різниці потужностей сигналів до заданого значення. Різниця між моделями визначалася за допомогою міри середньоквадратичних відстаней між функціями. Для реалізації цього методу було розроблено програму (з використанням середовища розробки Microsoft Visual Studio та мови програмування С++), яка дозволила визначати оптимальну кількість променів у моделі.

На основі розроблених методів побудови мереж ПППС і визначення гарантованого радіозв'язку між модулями, запропоновано варіанти побудови мереж бездротових ПППС всієї будівлі (з декількома приміщеннями) або комплексу декількох будівель.

У третьому розділі розглянуто питання, що пов'язані з роботою, проектуванням та моделюванням компонентів систем бездротової пожежної сигналізації.

До основних компонент бездротових систем пожежної сигналізації можна віднести наступне: первинний перетворювач ПС, мікроконтролер, радіомодуль ZigBee.

У бездротових ПС важливим питанням є забезпечення тривалої роботи системи від автономних джерел живлення. У ПС досягнення цієї мети можливо за таких умов:

- забезпечення живлення від ПППС, тобто використання активних первинних перетворювачів, що перетворюють фізичний вплив в енергію живлення;

- застосування низькоспоживаючих мікроконтролерів;

- використання "сплячого режиму" радіомодулів ZigBee.

У ПС в якості активних первинних перетворювачів можна використовувати фотоелектричні перетворюючі елементи (у точкових та лінійних сповіщувачів диму та сповіщувачів полум'я), а також перетворювачі кінетичної енергії в електричну, в якості яких найчастіше використовують п'єзоелементи (можуть використовуватися в ручних сповіщувачах, в якості елементів перетворення тиску на кнопку в напругу живлення та в інших виробах).

У роботі розглянуто поліфункціональні перетворювачі, в яких один із фізичних впливів використовується в якості вимірюваної величини, а інше - для отримання живлення елементів мережі. Структурна схема такого перетворювача на основі п'єзокерамічного елементу, в якому температура використовується в якості інформаційного сигналу (наприклад, в точкового сповіщувачі температури), а тиск - для живлення елементів системи, показана на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структурна схема поліфункціонального п'єзокерамічного перетворювача з одним чутливим елементом

На рис 3 ланці з коефіцієнтом передачі W₁ відповідає перетворення сили F, діючої на п'єзоелемент, в механічну напругу ₁; W₂ - перетворення температури Т, діючої на п'єзоелемент, в частоту f; W₃ - перетворення f в напругу U_ПЕ2 на електродах п'єзоелемента; W₄, W₁₀ і W₁₁ - перетворення напруги U_ПЕ2, U_ПЕ3 та U_ПЕ4 в механічну напругу ₂, ₃ та ₄ відповідно; W₅ - перетворення в заряд q на електродах п'єзоелемента; W₆ - перетворення заряду q в напругу на електродах п'єзоелемента U_ПЕ1; ланка W₇(р) описує процес, що відбувається при підключенні навантаження до п'єзоелементу; ланки W₈(р) та W₉(р) описують процес, зворотний ланці W₇(р), що відбувається при підведенні напруги від пристрою, що підключається, до додаткового електроду п'єзоелемента (передача напруги U_ВХГ1 та U_ВХГ2 в напругу між електродами п'єзоелемента U_ПЕ3 та U_ПЕ4).

Експериментальні дослідження зразків показали достовірність розроблених моделей.

Для моделювання та дослідження первинних перетворювачів широко використовують схемотехнічне та функціональне моделювання. У роботі вперше запропоновано та досліджено схемофункціональне моделювання (отримання однієї з моделей показане на рис. 4).

У таких моделях використовується функціональні моделі для опису в загальному вигляді первинних перетворювачів, а схемотехнічні - для опису конкретних вузлів схеми: мікроконтролерів, радіопередавальних модулів тощо. Таке моделювання дозволяє виключити надмірність моделей, тобто досліджувати тільки необхідні для моделювання параметри, а також використовувати сучасні пакети схемотехнічного моделювання для детального дослідження окремих вузлів і усього приймально-передавального модуля.

Розглянуті питання оптимального вибору мікроконтролерів, що можуть бути застосовані у бездротових вузлах ПС. Визначено, що найбільш оптимальним є використання мікроконтролерів сімейств PIC10Fхх, nanoWatt, ATtiny15L тощо. Розглянуті деякі схемні реалізації.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Моделі дослідження передавального модуля на основі п'єзокерамічного первинного перетворювача з мікроконтролером PIC16F84A: а - функціональна модель для дослідження властивостей ПППС;

б - схематехнічна модель для дослідження мікроконтролерної частини;

в - схемофункціональна модель усього модуля

У четвертому розділі наведено результати розробки апаратного та програмного забезпечення, в яких використані отримані в роботі результати теоретичних досліджень.

Наведені приклади побудови комп'ютерних систем ПС із застосуванням усіх розроблених програмних продуктів, наведений детальний опис їх застосування:

- побудови мережі стельових ПППС з наступним визначенням типів ZigBee модулів у вузлах мережі;

- побудови об'ємної моделі із стельовими та настінними ПППС в одному приміщенні;

- побудова ПС для будівлі, що складається з декількох приміщень;

- дослідження гарантованого зв'язку між віддаленими модулями (вибір оптимальної кількості променів в багатопроменевих моделях);

- візуалізації роботи ПППС;

- побудови та моделювання процесу спрацьовування ПС при досягненні граничного рівня температури.

Один з прикладів експериментальних досліджень показаний на рис. 5 (у приміщенні трикімнатної квартири будинку типу П-90 із зображенням контрольних точок вимірів рівня сигналу).

У точках (1-4) були розміщені точки збору інформації на основі модулів XBee ZigBee™ (2,4 GHz) фірми Maxstream (Digi), в точці (5) - базовий модуль. Результати вимірів потужності сигналу приведені в таблиці 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Розміщення ZigBee модулів (та їх вигляд) в стандартній трикімнатній квартирі дев'ятиповерхового будинку типу П-90

Таблиця 1 Вимір рівня сигналу

	Контрольна точка (база в точці 5)
	1	2	3	4
Рівень сигналу, дБ	теоретичний	-62,2	-57,7	-49,1	-65,5
	експериментальний	-63	-59	-48	-65

В якості ПППС застосовані датчики температури LM 19, які під'єднувалися до аналогових входів на модулі. Для передачі даних використаний API режим (Application Programmers Interface). Для програмування модулів використана відладочна демоплати

XBIB-R-DEV REV.4 із застосуванням програмного забезпечення X-СTU. Для контролю роботи ПС була розроблена програма в середовищі графічного програмування LabVIEW 2009. В процесі експерименту фіксувалися усі показники температури в контрольних точках. Крім того, підведення джерела вогню до будь-якого датчика супроводжувалося фіксацією події і відповідною сигналізацією в програмі.

Порівняльний розрахунок використання дротової та бездротової систем сигналізацій на прикладі 11-го корпусу Чорноморського державного університету ім. Петра Могили в м. Миколаєві показав, що використання бездротової сигналізації на основі розроблених в роботі теоретичних положень приводить до економії до 14 % виділених фінансових ресурсів.

Висновки

У дисертаційній роботі на основі виконаних автором досліджень вирішено науково-технічне завдання, яке пов'язане зі створенням вдосконалених комп'ютерних систем пожежної сигналізації на базі бездротових технологій, що дозволяє підвищити ефективність систем пожежної сигналізації за рахунок застосування нових моделей, методів та компонентів для побудови комп'ютерних систем на базі технології ZigBee.

Виконані автором дослідження виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульоване в роботі завдання може вважатися вирішеним. При виконанні роботи використовувалися коректні та достовірні методи дослідження. При цьому експериментальні дослідження підтвердили коректність постановки завдань і математичних методів, використаних при отриманні основних наукових положень.

У роботі отримані наступні основні наукові та практичні результати.

1. На основі застосування реперних точок розміщення ПППС та двократного рішення задачі розміщення з урахуванням різнотиповості радіовузлів технології бездротової передачі даних ZigBee розроблено метод побудови топології комп'ютерних мереж із стельових та настінних ПППС на базі технології ZigBee, що дозволяє будувати персональні мережі стельових ПППС із застосуванням бездротової технології ZigBee зі зменшеним часом на спрацьовування сигналізації. Pозроблені методи побудови топологій комп'ютерних мереж пожежних сигналізацій дозволяють скоротити час на визначення факту пожежі до 40 %, а також зменшити кількість радіовузлів у комп'ютерній системі на 36-54 %.

2. Розроблено два методи побудови топологій комп'ютерних мереж із стельових та настінних ПППС для побудови єдиної мережі в об'ємі одного приміщенні: поетапна побудова стельових, а потім настінних перетворювачів та одночасне їх розміщення, що дозволяє зменшити кількість радіомодулів, а отже, й вартість мереж пожежних сигналізацій.

3. На основі розробки методу перебору багатопроменевих моделей із наближенням різниці потужностей сигналів до заданого значення, розроблено метод визначення граничних відстаней між компонентами бездротової комп'ютерної мережі на основі застосування променевих моделей, що дозволяє розташовувати радіовузли комп'ютерної мережі на відстанях з гарантованим зв'язком між ними. Проведені експериментальні дослідження визначення рівнів сигналу при передачі інформації з використанням технології ZigBee показали, що розрахункові значення відхиляються від реальних не більше ніж на 3 %, що говорить про високу достовірність отриманих в роботі моделей та методу.

4. На основі одночасного використання в одній моделі схемотехнічного та функціонального моделювання запропоновано новий метод схемофункціонального моделювання блоків комп'ютерних систем, в якому моделювання первинного перетворювача здійснюється на функціональному рівні, а мікроконтролерної частини на схемотехнічному, що дозволяє спростити процес моделювання блоків комп'ютерних систем.

5. Розроблено п'ять програмних продуктів, що пов'язані з побудовою систем пожежних сигналізацій, в яких реалізовано отримані в роботі теоретичні положення.

6. Проведені розрахунки на прикладі побудови пожежних сигналізацій для 11-го корпусу Чорноморського державного університету ім. Петра Могили в м. Миколаєві показали, що використання бездротової сигналізації на основі розроблених в роботі теоретичних положень дозволяє економити до 14 % фінансових ресурсів.

Отримані результати теоретичних досліджень і проведені із застосуванням отриманих знань експериментальні дослідження працездатності комп'ютерних систем пожежних сигналізацій дозволяють використовувати отримані знання для побудови пожежних сигналізацій на базі технології ZigBee.

У результаті роботи розширена науково-технічна база проектування комп'ютерних систем та компонентів на базі бездротових технологій, що дає можливість створювати зразки пожежних сигналізацій з характеристиками, які не поступаються кращим зразкам закордонних фірм-виробників в цій області.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Мусієнко М.П. Створення автоматизованої системи оперативного пожежогасіння на основі використання новітніх навігаційно-комунікаційних технологій / М.П. Мусієнко, В. І. Томенко , С.В. Куценко // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. - № 2 (40). - Київ, 2008. - С. 46-51.

Musienko M.P. Development of multipurpose monotouch piezoelectric transducers / M.P. Musienko, А.М. Kovalenko, V. V. Tuz, S. V. Kutsenko // Вісник Черкаського державного технологічного університету: Спецвипуск. - 2009. - С. 74-76.

Musienko M.P. Development of primary transformers with a power from energy of measuring signal / M.P. Musienko, P. V. Petlyovaniy, S. V. Kutsenko // Вісник Черкаського державного технологічного університету: Спецвипуск. - 2009. - С. 77-79.

Musienko M.P. Building М2М networks on the ZigBee technology / M.P. Musienko, V. A. Diduk, S. V. Kutsenko // Вісник Черкаського державного технологічного університету: Спецвипуск. - 2009. - С. 147-149.

Куценко С.В. Оптимізація структури базового стану автоматизованих систем управління мобільними підрозділами МНС під час ліквідації наслідків надзвичайних ситуацй у природних екосистемах / С.В. Куценко, О. Г. Мельник, В. І. Томенко, М.П. Мусієнко // Науковий вісник УкрНДІПБ. - Київ. - № 1(21). - 2010. - С. 166-169.

Куценко С.В. Побудова полісенсорних реконфігурованих пожежно-охоронних систем у приміщеннях на базі технології ZigBee / С.В. Куценко, В. І. Томенко, М.П. Мусієнко, Р. В. Лиходід // Пожежна безпека: теорія і практика: Збірник наукових праць. - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2009. - № 4. - С. 67-70.

Мусієнко М.П. Моделювання безпровідних локальних мереж пожежних сповіщувачів всередені будівель / М.П. Мусієнко, В. І. Томенко, Д. О. Полоз, С.В. Куценко // Науковий вісник УкрНДІПБ. - № 2(22). - Київ, 2010. - С. 126-130.

Мусієнко М.П. Моделювання гетерогенних М2М мереж для промислових об'єктів / М.П. Мусієнко, В.А. Дідук, С.В. Куценко // Наукові праці ЧДУ ім. Петра Могили. - Серія: «Комп'ютерні технології». - Вип. 121. - Т. 134. - Миколаїв, 2010. - С. 161-165.

Мельник Р. П. Оптимальное проектирование огнестойких строительных конструкций и их огнезащиты / Р. П. Мельник, С.В. Куценко // Міжнародна науково-практична конференція «Пожежна та техногенна безпека». - Черкаси: ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2005. - С. 286-289.

Лега А.Л. Аналіз характеристик ЕГЕ з метою використання в засобах пожежогасіння / А.Л. Лега, С.В. Куценко // Міжнародна науково-практична конференція «Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту» - Черкаси: ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2006. - С. 99-102.

Куценко С.В. Тенденции развития информационных систем обеспечения пожарной безопасности объектов / С.В. Куценко, М.П. Мусиенко // Міжнародна науково-практична конференція «Пожежна безпека - 2007». - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2007. - С. 259.

Мусиенко М.П. Использование беспроводных технологий в ЖКХ / М.П. Мусиенко, В.А. Дидук, В. И. Томенко, С.В. Куценко // ІІІ международная научно-практическая конференция “Наука и образование без границ - 2007”. - Т. 17. - София, Болгария, 2007. - С. 47-49.

Куценко С.В. Математическое моделирование систем пожарной безопасности внутри помещений / С.В. Куценко, М.П. Мусиенко // Міжвузівська науково-практична конференція «Актуальні проблеми технічних, природничих та соціально-гуманітарних наук в забезпеченні цивільного захисту». - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2008. - С. 11.

Куценко С.В. Разработка информационно-измерительных систем

в охранно-пожарных комплексах / С.В. Куценко, М.П. Мусиенко // Х международная научно-практическая конференция «Современные информационные и электронные технологи - 2009». - T. I. - Одесса: ОНПУ, 2009. - С. 201.

Куценко С.В. Разработка автономных источником напряжения с использованием многофункциональных датчиков / С.В. Куценко, А.М. Коваленко, П.В. Петлеваный, М.П. Мусиенко // VІII міжнародна науково-технічна конференція «Приладобудування 2009: стан і перспективи». - Київ: НТУУ «КПІ», 2009. - С. 79.

Дидук В.А. Анализ критериев использования и возможностей применения беспроводных технологий на промышленных объектах / В.А. Дидук, С.В. Куценко // VІII міжнародна науково-технічна конференція «Приладобудування 2009: стан і перспективи». - Київ: НТУУ «КПІ», 2009. - С. 82.

Дідук В.А. Система автоматичного моделювання та моніторингу в гетерогенних мережах бездротового збору данних / В.А. Дідук,

С.В. Куценко // ІІІ International Conference “Computer science & engineering - 2009”. - Львів: НУ “Львівська політехніка”, 2009. - C. 133-136.

Мусієнко М.П. Розроблення математичної моделі комбінованої мережі інформаційних потоків для промислових об'єктів / М.П. Мусієнко,

В.А. Дідук, С.В. Куценко // Міжнародна науково-практична конференція “Ольвійський форум-2010: стратегії України в геополітичному просторі”. - Т. 5. - Ялта: ЧДУ ім. Петра Могили, 2010. - С. 21.

Мусиенко М.П. Компьютеризированные системы пожарной сигнализации на базе GSM/ZigBee технологий / М.П. Мусиенко, С.В. Куценко // ІV міжнародна науково-практична конференція “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” - Кременчук: КУЕІТУ, 2010. - С. 193-194.

Пат. 45976 Україна, МПК G 01 R 33/02. Вимірювальний пристрій з автономним джерелом живлення / Мусієнко М.П., Петльований П.В., Куценко С.В. - № u200902024; заявл. 06.03.09; опубл. 10.12.09, Бюл. № 23.

Пат. 45977 Україна, МПК G 01 R 33/00, H 01 L 31/00. Фотоелектричний вимірювальний пристрій з автономним джерелом живлення / Петльований П.В., Куценко С.В., Коваленко А.М., Мусієнко М.П. - № u200902026; заявл. 06.03.09; опубл. 10.12.09, Бюл. № 23.

Пат. 45979 Україна, МПК G 01 L 1/16, G 01 P 15/09. Спосіб вимірювання декількох фізичних величин за допомогою п'єзоелемента / Мусієнко М.П., Коваленко А.М., Куценко С.В., Дідук В.А. - № u200902029; заявл. 06.03.09; опубл. 10.12.09, Бюл. № 23.

Анотація

Куценко С.В. Моделі, методи та компоненти для комп'ютерних систем пожежних сигналізацій на базі технології ZigBee. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Комп'ютерні системи та компоненти. - Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2011.

Дисертаційне дослідження присвячене актуальним питанням підвищення ефективності, оптимізації та застосування інформаційно-вимірювальних систем, орієнтованих на різні предметні області, зокрема, розробці нових моделей, методів та компонентів для комп'ютерних систем пожежних сигналізацій на базі бездротових технологій.

В дисертаційній розроблено методи побудови топологій комп'ютерних мереж із стельових та настінних первинних перетворювачів пожежних сигналізацій із застосуванням бездротової технології передачі даних ZigBee. Удосконалено метод визначення граничних відстаней між компонентами бездротової комп'ютерної мережі на основі застосування променевих моделей за рахунок розробки методу перебору багатопроменевих моделей із наближенням різниці потужностей сигналів до заданого значення. Запропоновано та досліджено схемофункціональне моделювання блоків комп'ютерних систем. Розроблено програмне забезпечення, яке реалізує отримані математичні моделі. Проведені експериментальні дослідження із розробленими комп'ютерними системами та компонентами до них на території кількох приміщень, що підтвердили достовірність отриманих теоретичних положень.

Ключові слова: бездротова технологія ZigBee, топологія комп'ютерних мереж, первинні перетворювачі пожежних сигналізацій, схемофункціональні моделі.

Summary

Kutsenko S. V. Models, methods and components for the computer systems of the fire warning on the base of technology of ZigBee. - Manuscript.

The dissertation for the obtaining of the degree of Candidate of Technical Science by the specialty 05.13.05 - Computer systems and components. - Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2011.

The dissertation research is devoted to the current questions of increase of efficiency, optimization and application of the informatively-measuring systems, oriented to the different subject domains, in particular, the development of new models, methods and components for the computer systems of the fire warning on the base of wireless technologies.

In the dissertation the methods of construction of topologies of computer networks from the ceiling and wall primary transformers of the fire warning (PTFW) with the application of wireless technology of data passing ZigBee have been worked out. The method of defining of maximum ranges between the components of wireless computer network on the basis of application of radial models due to the development of method of surplus of multipath models with approaching of difference of powers of signals to the set value has been improved. The schematic and functional design of blocks of the computer systems is offered and researched. The software which will realize the obtained mathematical models is worked out. The experimental researches with the worked out computer systems and components to them on the territory of a few buildings, which testified the reliability of obtained theoretical positions, have been conducted.

Keywords: wireless technology ZigBee, topology of computer networks, primary transformers of the fire warning, schematic and functional model.

Аннотация

Куценко С.В. Модели, методы и компоненты для компьютерных систем пожарных сигнализаций на базе технологии ZigBee. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 - Компьютерные системы и компоненты. - Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2011.

Диссертационное исследование посвящено актуальным вопросам повышения эффективности, оптимизации и применения информационно-измерительных систем, ориентированных на разные предметные области, в частности, разработке новых компьютерных систем пожарных сигнализаций (ПС) внутри помещений на базе беспроводных технологий.

В работе проведен анализ существующих систем пожарных сигнализаций, беспроводных типов технологий передачи данных, рассмотрены существующие методы размещения первичных преобразователей, а также методы моделирования каналов внутри помещений. В результате анализа получена структурно-логическая схема диссертационного исследования.

Разработан метод размещения потолочных первичных преобразователей пожарных сигнализаций (ПППС), в котором использованы реперные точки определения положений ПППС, предложено двукратное решение задачи размещения, при котором учитывается специфики разнотиповости радиоузлов применяемой технологии беспроводной передачи данных ZigBee. Реализация метода заключается в выполнении четырех этапов: определения реперных точек для размещения первичных преобразователей (для уменьшения времени срабатывания ПС); решение задачи покрытия неконтролируемой реперными ПППС зоны потолка; определение точек сети, в которых размещаются радиомодули ZigBee (определение проводного и беспроводного соединения); определение типов радиомодулей ZigBee (координатор, роутер, конечное устройство). Применение разработанного метода позволяет строить персональные сети потолочных ПППС с уменьшенным временем на срабатывание сигнализаций. Так, разработанные методы построения топологии компьютерных сетей пожарных сигнализаций позволяют сократить время на определение факта возгорания до 40 %, а также уменьшить количество радиоузлов в компьютерной системе на 36-54 %.

Разработан метод размещения потолочных и настенных ПППС для построения единой сети в объеме одного помещении. Метод имеет две реализации - поэтапное построение, в котором сначала размещаются потолочные преобразователи, а затем уже настенные; и одновременное размещение всех типов преобразователей в одной сети. Метод размещения позволяет уменьшить количество радиомодулей и, соответственно, стоимость сетей пожарных сигнализаций.

В работе получил дальнейшее развитие метод определения граничных расстояний между компонентами беспроводной компьютерной сети на основе применения лучевых моделей за счет разработки метода перебора многолучевых моделей с приближением разницы мощностей сигналов к заданному значению, что позволяет располагать радиоузлы компьютерной сети на расстояниях с гарантированной связью между ними. Проведенные экспериментальные исследования определения уровней сигнала при передаче информации с использованием технологии ZigBee показали, что расчетные значения отклоняются от реальных не более чем на 3 %, что говорит о высокой достоверности полученных в работе моделей и метода.

Впервые предложено и исследовано схемофункциональное моделирование блоков компьютерных систем. В таких моделях моделирование первичного преобразователя осуществляется на функциональной уровне, а микроконтроллерной части на схемотехническом, что позволяет упростить процесс моделирование радиопередающего модуля. Применение предложенного схемофункционального моделирования блоков компьютерных систем позволило разработать типичные радиоузлы на базе модулей ZigBee с автономным питанием с использованием пьезокерамических ПППС.

Разработаны программные продукты (с использованием объектно-ориентированных языков программирования), которые позволяют строить беспроводные системы пожарных сигнализаций внутри помещений.

Проведенные экспериментальные исследования с разработанными компьютерными системами и компонентами к ним на территории нескольких помещений подтвердили достоверность полученных теоретических положений.

Проведенные расчеты на примере установки пожарных сигнализаций для учебного корпуса Черноморского государственного университета им. Петра Могилы в г. Николаеве показали, что использование беспроводной сигнализации на основе разработанных в работе теоретических положений позволяет экономить до 14 % выделенных финансовых средств.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебном процессе двух высших учебных заведений: в Академии пожарной безопасности имени Героев Чернобыля МЧС Украины и Черноморском государственном университете им. Петра Могилы (г. Николаев), а также в ЧП "Бастион" (г. Черкассы).

Ключевые слова: беспроводная технология ZigBee, топология компьютерных сетей, первичные преобразователи пожарных сигнализаций, схемофункциональные модели.

Размещено на Allbest.ru