Программное обеспечение

«ОДНА ИДЕЯ – МНОЖЕСТВО РЕШЕНИЙ»

ISON - Intellectual self-organizing network / Интеллектуальная самоорганизующаяся сеть – уникальная запатентованная разработка ООО «Цифровой Дракон».

Это программный комплекс на базе самоорганизующийся сети множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала, допускает использование между узлами и сенсорами проводную связь.

Предлагаемая система представляет собой коммуникационные комплексы, встраиваемые в систему промышленного мониторинга на участке между управляющей системой заказчика и технологическим процессом, над которым необходимо осуществлять мониторинг.

Описание сети

Параметры	ISON
Физический уровень	433 Мгц с возможностью перехода на любую иную частоту
Устойчивость к соканальной интерференции	Механизм динамического выделения каналов: в зависимости от локальной помеховой обстановки выбирается свободный частотный диапазон, при этом участки сети могу работать на разных каналах
Топология сети	«многоячейковая сеть»
Тип трафика	Многие – к – одному Один – ко - многим Многие – ко - многим
Механизм формирования сети	Все узлы одинаковы и могут выступать в роли как в роли маршрутизаторов, так сенсора
Устойчивость к изменениям в топологии сети	Абсолютная адресация узлов без привязки к текущему положению
Энергопотребление	Все узлы могут работать как от автономного источника питания, так и от внешнего
Универсальность системы	Аппаратно – прикладная система с возможностью подстройки под требования заказчика
Программное обеспечение для компьютера	Программное обеспечение для компьютера настраивается под индивидуальные прикладные требования заказчика с возможностью адаптации его под конкретную задачу

Сеть обеспечивает

гибкие, расширяемые сетевые топологии, в том числе проводные

простую установку и высокую устойчивость к сбоям,

полноценные меры по безопасности,

содержит встроенные функции для организации сетей и маршрутизации передаваемых данных,

преодолевает традиционные ограничения маломощных беспроводных сетевых решений, такие как малая дальность и ограниченное покрытие, а также уязвимость к сбоям в узле и в радиолинии.

СТРУКТУРА СЕТИ

Сеть состоит из беспроводных сенсорных узлов, имеющих радио приемо-передатчик на частоте 433 Mhz, и реализующих следующие подсистемы :

- Подсистему датчиков

- Подсистему сбора данных

- Подсистему сигнализации

- Подсистему агрегации данных

- Подсистему исполнительных устройств

- Подсистему маршрутизации сообщений

- Подсистему связи

Подсистема датчиков

Датчики представляют собой абстрактные объекты, имеющие заранее описанные атрибуты для разных классов (датчик температуры, датчик питания и т.д.), включающие в себя конфигурационные параметры (пределы температуры, питания, …) и текущие значения датчиков.

Подсистема сбора данных

Данная система в программируемом периоде опрашивает датчики и накапливает информацию в памяти для последующей передачи информации на узел сбора данных.

Подсистема сигнализации

Данная система посылает тревожный сигнал при выходе одного из параметра датчика за установленные пределы (напряжение питания слишком мало, температура слишком высока, …)

Подсистема агрегации данных

Данная система служит для понижения энергопотребления при передаче информации на узел сбора данных. Она накапливает информацию на промежуточном узле из подсистемы сбора данных и передает блок данных с разных датчиков и узлов одним большим пакетом, учитывая минимальный период накопления данных подсистемы сбора данных.

Подсистема исполнительных устройств

С помощью этой подсистемы можно управлять исполнительными устройствами (клапанами, реле, …) непосредственно с узла сбора данных - компьютера.

Подсистема маршрутизации сообщений

Данная система связывает между собой подсистему сигнализации и подсистему исполнительных устройств. Ее можно запрограммировать на включение/выключение исполнительного устройства при появлении тревожного сигнала с этого же или другого узла в автономном режиме. Это позволяет управлять исполнительными устройствами в полностью автономном режиме (допустим, включить вентиляцию при превышении температуры заданного предела). При этом нет необходимости в промежуточном узле, принимающем решение (узла сбора данных).

Подсистема связи

Система маршрутизирует сообщения, доставляя информацию через несколько других узлов, к точке назначения. При выходе из строя промежуточных узлов – система заново организует маршрут для доставки данных. Отличие данной системы от других – в поддержке нескольких запасных маршрутов. При выходе из строя текущего маршрута – начинает использоваться другой маршрут вместо дорогостоящей (с точки зрения энергопотребления) и долгой процедуры поиска нового маршрута. При этом решается частая проблема радиопередачи – отсутствие связи между узлами в течение короткого времени. При невозможности связаться с другим узлом – маршрут не стирается сразу же как нерабочий, а переводится в режим восстановления маршрута, при котором в течение какого-то времени происходит попытки связаться с узлом.

Технические характеристики сети ISON

Параметры	ISON
Типовая дальность связи вне помещения без усилителя, м	100
Типовое энергопотребление, активный режим, мА / спящий мА	18 / 0,02
Скорость передачи данных максимальная (типовая), кбит/с	500 (9,600)
Частотный диапазон, мгЦ (возможность перехода на иную частоту)	433

ПРЕИМУЩЕСТВА ISON

СТРАТЕГИЯ ДОСТАВКИ СООБЩЕНИЯ (маршрутизация сигналов)

Новаторская стратегия создания систем на основе ISON предполагает использование или всех вариантов доставки сообщений от датчика к датчику, либо подбор сотрудниками компании лучшего варианта с учетом особенностей системы заказчика.

В качестве протокола выбора маршрутов используется модифицированный AOMDV. Буква ‘M’ дополняет возможность построения избыточных маршрутов к стандартному протоколу AODV.

Система ищет оптимальный путь передачи информации - Автоматическая самоорганизация

(на примере датчиков пламени и концентратора – ретранслятора системы АПС)

Ключевая особенность технологий сенсорных сетей стоит выделить способность к динамической самостоятельной организации самой сети.

Включенные узлы самостоятельно пытаются найти близлежащих соседей и установить радио соединение.

Это качество позволяет оперативно разворачивать подобные сети в труднодоступных местах и сложных условиях.

Отказоустойчивость

(на примере датчиков пламени и концентратора – ретранслятора системы АПС)

Способность к самоорганизации определяет второе ключевое преимущество сенсорных сетей — живучесть, или сохранение работоспособности сети при физическом разрушении части узлов.

При уничтожении узла сеть сама переопределяет оптимальный маршрут движения информационных потоков.

Принцип ретрансляции сообщений

(на примере датчиков пламени и концентратора – ретранслятора системы АПС)

Устройства обладают способностью к ретрансляции сообщений по цепочке от одного к другому.

Это позволяет собирать информацию с пространственно-распределенных объектов, превосходящих по своим размерам радиус связи одного элемента.

Таким образом, значительно расширяется круг объектов для внедрения систем телеметрии.

За счет тех объектов, где использование традиционных каналов передачи информации было невозможно или экономически не выгодно.

Автономность

Применение маломощного радио и согласованного расписания его работы позволяет достигать длительного срока автономной работы узлов сети, от нескольких дней до нескольких лет.

Возможность программирования датчиков самостоятельно.

Может быть связано с территориальными (ландшафтными) особенностями расположения элементов системы, необходимостью выделить исключительными настройками определенные элементы системы.

Программный комплекс Scanner позволяет:

1. приписывать каждому элементу системы уникальный сетевой адрес;

2. приписывать объектовые элементы к данному модулю и выбирать оптимальные маршруты передачи информации;

3. выдать каждому объектовому элементу маршруты обмена (основные и резервные);

4. включать (ставить на дежурство) соответствующий объектовый элемент;

5. получать разнообразную информацию о текущем состоянии объектового элемента (длительность работы, напряжение батарей, количество срабатываний и т. п.).

6. приписывает первичные датчики к данному модулю и выбирает оптимальные маршруты передачи информации;

7. позволяет обновлять прошивку программного обеспечения элементов.

Возможность присоединения важных элементов в труднодоступных местах при больших помехах при помощи проводных систем.

Учитывая сочетание преимуществ проводных и беспроводных систем существует возможность создания гибридной системы:

- иногда необходимо сохранять проводную систему заказчика;

- в наиболее трудных случаях (при невозможности использования радиосвязи) прокладывается кабель.

Решение, полученное путем интеграции радиоканальных устройств в проводную систему дает практически безграничные возможности при оборудовании объектов любой сложности.

ДВУСТОРОННИЙ ПРОТОТОЛ СВЯЗИ

Благодаря двустороннему протоколу обмена данными ISON обладает неоспоримыми преимуществами в части обеспечения надежности функционирования системы:

- автоматический контроль за состоянием каналов связи между всеми устройствами;

- автоматическая смена частотных каналов при обнаружении помех;

- автоматическая регулировка мощности радиоизлучения;

- автоматическая подстройка частоты, позволяющие работать практически в любых условиях прохождения радиоволн;

- криптографическая защита обмена данными, исключающая любое стороннее вмешательство.

Разработка системы с помощью языка С++

Применения языка С++ позволяет создавать абстрактные интерфейсы (в понимании COM) для доступа к основным модулям микроконтроллера, таким как, ноги ввода-вывода, АЦП, таймерам.

Тем не менее, для уменьшения кода не все модули имеют абстрактный интерфейс. Доступ к таким модулям осуществляется непосредственно из кода, реализующий сенсор или актуатор.

Использование абстрактных интерфейсов позволяет писать код, который будет выполняться на большинстве современных микроконтроллеров, если он не очень сложный.

Программная реализация архитектуры использует концепцию программных прерываний с групповым и индивидуальным приоритетами для разделения выполняемых задач. Программные прерывания позволяют использовать один стек для всего программного продукта и уменьшает общую реакцию на прерывания, так как нет необходимости сохранять полный набор регистров при переключении задач. Большая часть модулей система также сильно абстрагирована, в частности модуль сетевого интерфейса, модули маршрутизации и другие основные модули.

Этот подход позволяет сравнительно легко добавлять новые среды передачи данных, не затрагивая другой код. На данный момент реализованы интерфейсы через RS232, RS485 и Ethernet.

Модули маршрутизации также имеют несколько вариантов реализации – AOMDV и жесткие маршруты на основе таблиц, редактируемые пользователем.

Программное обеспечение ISON Studio

ПО было разработано с учетом повышенной надежности.

ПО узлов осуществляет сбор и доставку значений телеметрии, при этом маршруты доставки сообщений вычисляются автоматически, используя различную информацию для оптимизации энергопотребления, или скорости доставки сообщений.

ПО позволяет производить основные настройки (конфигурация сенсоров, связка сенсоров и актуаторов, сбор телеметрии).

Несколько экземпляров работающего ПО на разных компьютерах, включенные 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.

ПО также позволяет визуализировать набранную телеметрию в виде графиков и накоплять информацию во внешнюю базу данных.

ПО разработано с помощью кросс-платформенной библиотеки QT, что позволяет использовать ПО под различными операционными системами (Windows, Linux, Mac OS), но и на маленьких панелях с сенсорным экраном и мало-потребляющими процессорами ARM.

С помощью персонального компьютера можно анализировать и графически отображать такие параметры, как качество сигнала и уровень шумов, а также проконтролировать эффективность данной системы при установке или техническом обслуживании.

Преимущества эксплуатирующей организации при выборе ISON как основу создания беспроводной сенсорной сети:

· отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;

· низкая стоимость монтажа, пуско-наладки и технического обслуживания системы;

· минимальные ограничения по размещению беспроводных устройств;

· возможность внедрения и модификации сети на эксплуатируемом объекте без вмешательства в процесс функционирования;

· надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при нарушении отдельных соединений между узлами;

· возможность конструирования систем из множества автономных сенсоров, нескольких автономных ретрансляторов и одного мощного стационарного приемопередатчика;

· удаленная настройка чувствительности датчиков (обратная связь);

· расширяемость — возможность добавления любых новых типов датчиков;

· быстрота развертывания системы;

· простота и недорогое технического обслуживания;

· отказоустойчивость и надежность в жестких условиях эксплуатации;

· низкая стоимость внедрения и технического обслуживания системы;

· избежать остановки деятельности предприятия.

Созданный программный продукт является прорывной технологией в нише беспроводных сетей.

Программный комплекс ISON – это законченный продукт, который предлагается потребителю.

Компания предлагает для своих клиентов совместно найти надежное и недорогое прикладное решение систем беспроводной передачи данных, которое будет максимально точно соответствовать поставленной задаче. Разработчики могут адаптировать систему под конкретные задачи, в том числе уникальным набором сенсоров и интерфейсом контроля.

В итоге конечный потребитель получит комплексную аппартно – программную систему, уникальную и не имеющую аналогов.

ОПЫТ РЕАЛИЗАЦИИ

Данная система была применена в разработанной компанией Цифровой Дракон пожарной сигнализации АПС-1Н для удаленных объектов.

Автоматическая пожарная станция – это оперативно развертываемая система регистрации различных информационных сигналов на объектах и передачи их на пульт оператора с возможностью управления установками порошкового пожаротушения.

Опыт эксплуатации АПС-1Н насчитывает уже более 6 лет.

На данный момент АПС-1Н оборудован на шестнадцати (16) различных объектах. Благодаря этому способу обмена информацией автоматической пожарной станции нет равных по стоимости и трудозатратам при оборудовании пожарной сигнализацией большого количества защищаемых площадей распределенных на огромной территории (более 12 км по периметру).

УСЛУГИ для клиентов

Обследование объекта, в т.ч.

- разработка модели динамической сети на базе ISON для клиента с учетом индивидуальных требований заказчика

- просчет количества датчиков и их местоположение на местности.

· Подготовка коммерческого предложения

· Составление технического задания

· Разработка проекта

· Поставка оборудования и материалов

· Монтаж и пуско—наладка

· Обучение персонала Заказчика

· Сдача в эксплуатацию

· Техническое обслуживание