Сенсорные сети на основе программного комплекса ISON для удаленных объектов

Беспроводные технологии передачи данных широко применяются как в пользовательских (Wi-Fi), так и в промышленных (Zigbee и т. д.) целях. Эти технологии используются для решения разных задач. Если Wi-Fi оптимизирован для высокой пропускной способности, обеспечивающей просмотр видео в режиме онлайн, то от Zigbee и других индустриально ориентированных стандартов обычно требуется передача небольшого количества информации с повышенной надежностью. Передача данных в промышленности используется для снятия телеметрии с некоторых датчиков, а также для управления исполнительными устройствами (клапанами, двигателями и т.д.). Под термином «промышленное использование» подразумевается применение не только в масштабе промышленных предприятий, но и в области автоматизации жилых объектов, например, охранно-пожарных комплексов, «умных» домов и т.д.

ZigBee был разработан как отраслевой беспроводной стандарт для использования преимущественно в жилых зонах. И хотя этот стандарт имеет высокий статус проработки, при его использовании наблюдаются некоторые трудности. В первую очередь — неоправданная сложность программного кода. Сам стандарт занимает несколько сот страниц текста, реализовать который могут позволить себе только очень крупные компании. Есть вопросы к этому стандарту и с точки зрения технологии. В первую очередь имеется в виду необходимость сетевого питания для так называемых маршрутизаторов, которые осуществляют пересылку данных с конечных устройств к устройствам накопления данных. Во многих случаях это непозволительная роскошь, т.к. часто (особенно в промышленных зонах) необходимо обеспечить установку датчиков на большой и топографически сложной территории. Эту проблему можно решить посредством установки конечных устройств с повышенной мощностью выходного радиосигнала, что, однако, негативно сказывается на их потреблении. Другая проблема — необходимость специального устройства, которое координирует работу всей сети.

Таким образом, сеть ZigBee является достаточно централизованной, нуждается в постоянном питании маршрутизаторов и имеет большое количество ограничений на среду передачи данных (только радио) и частоту (868, 915, 2.4). Существует несколько разработок, более-менее свободных от этих недостатков. Самая известная архитектура, где предприняты попытки решить некоторые проблемы беспроводных сенсорных сетей — операционная система TinyOS. Это открытая архитектура, оптимизированная для использования на небольших микроконтроллерах и предназначенная для реализации различных видов беспроводных сенсорных сетей. Многие коммерческие разработки используют TinyOS как стартовую площадку.

Требования к сети без недостатков реализации ZigBee выглядят следующим образом:

– полностью автономное питание. Все устройства должны иметь возможность работы только от батарей достаточно продолжительное время (годы);

– децентрализация. Необходимо по возможности исключить из сети «особые» устройства, необходимые для ее жизнеспособности;

– поддержка других сред передач данных (RS-232/485, Ethernet и т.д.);

– простота инсталляции. В идеале в устройство необходимо только вставить батареи, после чего оно должно само зарегистрироваться и «доложить» о своих способностях (датчики, актуаторы).

В свете этих требований компания «Цифровой Дракон» разработала систему ISON. Ее основные отличия и преимущества как раз и заключаются в полной автономности по питанию и поддержке различных сред передачи данных. Топология сети ISON представлена на рисунке 1. На данный момент система работает в частотном диапазоне 433 МГц, что позволяет увеличить дальность радиопередачи на большой территории. Впрочем, не представляет большой сложности перевести систему на любой другой частотный диапазон. Кроме того, она поддерживает несколько сетевых интерфейсов, что в ряде случаев обеспечивает возможность использования в качестве канала связи провода (232, 485, Ethernet). Это важное преимущество, т.к. протокол прокладки маршрутов (модифицированный AOMDV) используется по всем интерфейсам. В результате не нужно задумываться о радиодоступности того или иного сегмента сети, т.к. в крайнем случае всегда можно проложить проводную связь к недоступному сегменту без необходимости каких бы то ни было настроек или модификаций. К настоящему времени реализованы интерфейсы через RS-232, RS-485 и Ethernet.

Рис. 1. Топология сети ISON

Один из неприятных моментов, связанный с реализацией ISON, — малый объем оперативной памяти современных малопотребляющих микроконтроллеров, т.к. в сложной системе в условиях повышенного трафика одному устройству необходимо сохранять большое количество непересекающихся маршрутов, для чего и необходим большой объем памяти.

Система предполагает большую децентрализацию. Образно говоря, можно связать некий датчик физической величины с неким актуатором, находящимся в другом сегменте сети. Связь при этом будет выполнена напрямую, минуя центральный узел. Это повышает устойчивость сети, т.к. при выходе из строя центрального узла или при невозможности передать данные на центральный узел — связь между устройствами останется живой. Как такового центрального узла не существует. Обычно необходимо передавать данные (телеметрию) на какой-либо узел для последующей обработки человеком или компьютером. Для оптимизации этой задачи есть несколько решений.

Первое из них — агрегация данных (см. рис. 2). Промежуточные узлы сети накапливают данные (насколько это возможно при свободных ресурсах и ограничениях) и передают их одним большим пакетом, куда входит телеметрия от нескольких устройств и, возможно, за несколько периодов времени.

Рис. 2. Агрегация данных в сети ISON

Второе решение — децентрализация центральных узлов. Создается некий виртуальный центральный узел, маршруты до которого якобы знают устройства, имеющие физическую связь с компьютером или компьютерами. Данные передаются на этот виртуальный узел по разным маршрутам. В результате при выходе из строя одного или нескольких реальных маршрутов доставки телеметрии находятся другие маршруты, которые передают информацию системе сбора данных.

Модули маршрутизации также имеют несколько вариантов реализации — AOMDV и жесткие маршруты на основе таблиц, редактируемые пользователем. В качестве протокола выбора маршрутов используется модифицированный AOMDV. Буква «M» говорит о дополнительной возможности построения избыточных маршрутов к стандартному протоколу AODV, который используется в ZigBee. При сбое одного из маршрутов от точки А до точки Б сразу же начинает использоваться резервный маршрут. Обычно при большом количестве устройств на объекте существует сразу несколько маршрутов между двумя заданными точками. Часть этих дополнительных маршрутов прокладывается в момент поиска (реактивного) маршрута.

Существует несколько алгоритмов выбора текущего маршрута для доставки данных, исходя из требований пониженного потребления, скорости доставки или состояния радиосреды. При невозможности связи с соседом для передачи данных — маршрут переводится в состояние восстановления, что позволяет возобновить маршрутизацию через узел, не запуская дорогостоящую операцию поиска новых маршрутов. В радиосреде часто бывает, что сосед недоступен для связи небольшое количество времени (несколько секунд), а операция восстановления позволяет обойти эту проблему.

Датчики физических величин (сенсоры) описываются с помощью жестких структур, разделенных на структуры конфигурации сенсора и статистики (текущих данных). Все сенсоры имеют абстрактный интерфейс, позволяющий применять стандартные команды типа «включить», «выключить», «изменить конфигурацию» и т.д. Встроенная система сбора данных опрашивает сенсоры через заданный интервал времени, сохраняя статистику, и передает данные на узлы сбора телеметрии. Для этого она использует систему агрегации данных на ближайшем соседе, который выбирается методом голосования, исходя из возможности узла (емкость батарей, загруженность). Кроме этого, есть возможность связать сенсор с актуатором на другом или том же узле для управления неким физическим устройством.

Для управления системой ISON существует программное обеспечение ISON Studio, которое позволяет производить основные настройки (конфигурацию сенсоров, связь сенсоров и актуаторов, сбор телеметрии). ПО было разработано с учетом повышенной надежности. Несколько экземпляров работающего ПО на разных компьютерах, включенных в одну сеть, автоматически синхронизируются между собой. ПО позволяет представлять систему в виде объектов с неограниченной вложенностью, с возможностью графического вывода одних и тех же сенсоров в разные объекты.

Например, датчик температуры между 2 и 3 этажами может присутствовать в плане и второго, и третьего этажей. Датчики считаются удаленными из системы, когда на них больше нет ссылок из объектов. ПО также позволяет визуализировать набранную телеметрию в виде графиков и накапливать информацию во внешней базе данных. ПО разработано с помощью кросс-платформенной библиотеки QT, что позволяет использовать его под различными операционными системами (Windows, Linux, Mac OS). Для добавления нового типа сенсора (допустим, сенсора атмосферного давления) — необходимо описать его и с помощью языка javascript через документированный интерфейс ПО. Описание с помощью скриптового языка позволяет оставаться в платформенно независимой среде. Описывается как графическое представление сенсора (иконки и их поведение), так и контекстное меню и поля для сохранения в базе данных.

Данная система была применена в разработанной нами пожарной сигнализации АПС-1Н для удаленных объектов. Пожарная сигнализация установлена на объектах большой площади, многие из которых не имеют постоянных источников электроснабжения (см. рис. 3). Применение проводной сигнализации для таких типов объектов оказалось неэффективным как с позиции стоимости, так и с позиции обслуживания. Использование стандартной системы ZigBee тоже оказалось невозможно, т.к. на некоторых объектах отсутствовали постоянные источники электропитания, необходимые для маршрутизаторов. С учетом периметра охраняемой территории (до 12 км) без маршрутизаторов обойтись невозможно. Дополнительная особенность охраняемых объектов — необходимость довести сигнал тревоги до нескольких (обычно 2) мест, разделенных географически. Мы разработали систему, состоящую из датчиков пламени, дыма, движения и ручных извещателей, способных проработать от литиевых источников питания более 5 лет (см. рис. 4). Конструктивно были выделены маршрутизаторы, которые кроме антенны и корпуса ничем программно не отличаются. Каждый датчик способен не только генерировать информацию, но и участвовать в маршрутизации сообщения от других источников системы. Эта сигнализация установлена и успешно эксплуатируется на нескольких десятках предприятий.

Рис. 3. Типовая охраняемая территория для АПС-1Н

Рис. 4. Элементы автоматической пожарной сигнализации АПС-1Н

В настоящий момент АПС-1Н дополнена прибором управления (ППУ), позволяющим производить, в том числе и в автономном режиме, запуск автоматических порошковых установок пожаротушения типа Bizon. При этом используется несколько преимуществ системы ISON:

– связь между несколькими модулями ППУ и некоторыми датчиками происходит по проводам для обеспечения ее надежности, и это нисколько не влияет на возможность прокладки автоматических маршрутов;

– запуск ППУ (для тушения пожара) происходит в автоматическом режиме, без промежуточных управляющих модулей;

– малое энергопотребление кода ISON, позволяющее проработать модулю ППУ на автономном питании до 12 лет с выполнением всех необходимых требований (диагностика целостности линий электропитания и связи АУП, пожарных оповещателей, выдача сигнала о срабатывании и т. д.).

Выводы

1. Разработанный компанией «Цифровой Дракон» программный продукт ISON — интеллектуальная самоорганизующаяся беспроводная сеть — не требует специальных устройств, ограничивающих область его применения. Все объектовые элементы питаются от автономных источников питания (батареек), срок службы которых превышает 10  лет, а температурный диапазон эксплуатации варьируется в пределах: –50…85°С. Это техническое решение позволяет потребителю отказаться от прокладки не только проводных информационных сетей, но и силовых сетей электропитания.

2. ISON реализован в виде беспроводной пожарной сигнализации
АПС-1Н для специальных применений и в настоящий момент эксплуатируется на нескольких десятках объектов.

3. Дальнейшее развитие ISON ви-
дится в практическом развитии бес-проводных телеметрических сетей с автономными источниками питания.