ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И...

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ

ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА

И ТЕХНОЛОГИИ

КАТЕДРА „МИКРОЕЛЕКТРОНИКА“

НПЛ „АВТОМАТИЗИРАНО ПРОЕКТИРАНЕ В ЕЛЕКТРОНИКАТА И

МИКРОЕЛЕКТРОНИКАТА“ (ECAD)

маг. инж. Милен Храбъров Тодоров

ПРОЕКТИРАНЕ, ИЗСЛЕДВАНЕ И ОПТИМИЗИРАНЕ НА БЕЗЖИЧНИ СЕНЗОРНИ

МРЕЖИ

АВТОРЕФЕРАТ

На дисертация за присъждане на образователна и научна степен „ДОКТОР“ по професионално направление 5.2. Електротехника, електроника и автоматика, научна

специалност: Технология на електронното производство

Научна специалност: 02.20.11 „Технология на електронното производство“

Научен ръководители: проф. дтн инж. Тихомир Борисов Таков доц. д-р инж. Боянка Маринова Николова

Рецензенти: проф. д-р инж. Славка Славчева Цанова доц. д-р инж. Румен Борисов Пранчов

София, 2016 г.

2

Дисертационният труд е обсъден пред катедрен съвет на катедра „Микроелектроника“ на ФЕТТ при ТУ – София с протокол № 2 / 18.01.2016 г. и е насрочен за защита пред Научно жури. Научното жури и датата на защитата са определени със заповед на ректора на Техническия университет – София, № ОЖ-116 / 15.02.2016 г.

Официалната защита на дисертационния труд ще се състои на 30 май 2016 г. от

15:00 часа в Технически университет – София, Конферентна зала на БИЦ. Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в

канцеларията на Факултета по Електронна Техника и Технологии на ТУ – София – стая 1332А, блок 1.

Дисертационният труд съдържа 180 страници, 86 фигури, 15 таблици, оформени

като списък със съкращения, увод, пет глави, заключение, приноси, публикации по дисертацията, списък с използвана литература, включваща 143 заглавия.

Благодаря на моите научни ръководители доц. д-р Боянка Николова и проф. дтн

Тихомир Таков. Благодаря и на рецензентите проф. д-р Славка Цанова и доц. д-р Румен Пранчов, които чрез своя критичен прочит и направените бележки съществено подобриха настоящия дисертационен труд. Благодаря на доц. д-р Георги Николов, който в съвместната работа по публикациите ми помогна да добия необходимия опит. Благодаря и на колегите от катедра „Технологии и мениджмънт на комуникационни системи“ към Факултета по телекомуникации и на колегите от катедра „Микроелектроника“ към Факултета по електронна техника и технологии на Техническия университет – София, които чрез споделения опит неминуемо са допринесли за подобряване на качеството на дисертационния ми труд.

Накрая, но не по важност благодаря и на моите родители, без които нямаше да напиша настоящите редове.

Автор: маг. инж. Милен Храбъров Тодоров ® Заглавие: „Проектиране, изследване и оптимизиране на безжични сензорни

мрежи“ Тираж: 50 бр. Издателство на Технически университет – София

3

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД УВОД

Сензорите свързват физическия и цифровия свят улавяйки информация за феномени от реалния свят. Тази информация се преобразува във вид удобен за обработка, съхранение и актуация. Интегрирани в редица устройства, машини и среди, сензорите са огромна полза за обществото.

Безжичната сензорна мрежа се състои от голям брой сензорни възли с произволна гъстота [133], [135]. Вече е възможно тези компоненти да се произвеждат с малки размери, определена изчислителна мощ и да са енергийно ефективни, така че интегрирането им в телекомуникационните приложения да е икономически рентабилно [59]. Така сензорните възли са в състояние да събират, обработват и обменят информацията, освен помежду си и със заобикалящия ги свят [31].

Изследването и развитието на сензорните мрежи наследяват много понятия и протоколи от разпределените компютърни мрежи. Въпреки това сензорните мрежи поставят някои технически предизвикателства, поради специализираната природа на сензорите и обстоятелството, че множество сензорни приложения могат да включват отдалечени мобилни сензори [69], [99].

ZigBee-базираните безжични устройства работят в следните честотни обхвати: 868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz. Максималната скорост на пренос на данните е 250 Kbit/s [79]. Стандартът ZigBee използва физическия слой (Physical Layer) и слоя за контрол на достъпа до средата (Medium Access Control (MAC) Layer) на IEEE 802.15.4. Това осигурява съвместимостта на ZigBee устройствата със стандарт IEEE 802.15.4 [113], [119]. Протоколните слоеве на ZigBee, базирани на еталонния модел за взаимовръзка на отворени системи OSI (Open System Interconnect) са показани на фиг. 1 [48].

ФИГ.1. ПРОТОКОЛНИ СЛОЕВЕ НА СТАНДАРТ ZIGBEE

Следващата голяма възможност и предизвикателство за общността за Интернет инженеринг, потребителите, компаниите и обществото като цяло е свързването на

4

вградени устройства като сензори, домакински уреди, метеорологични станции и дори играчки с мрежите базирани на Интернет протокола (Internet Protocol – IP) [24], [107].

Фиг. 2 показва сравнение на IPv6 протоколен стек с 6LoWPAN и стандартния IP протоколен стек с пет слоя (стекът е с четири слоя в RFC1122 [30]), нар. още Интернет модел [53], [112].

HTTP RTP Приложен слой Приложни протоколи TCP UDP ICMP Транспортен слой UDP ICMP

IP Мрежов слой IPv6

LoWPAN Ethernet MAC Канален слой IEEE 802.15.4 MAC Ethernet PHY Физически слой IEEE 802.15.4 PHY

ФИГ.2. СРАВНЕНИЕ НА IP И 6LOWPAN ПРОТОКОЛНИ СТЕКОВЕ

Разликата между двата модела е само в наличието на адаптационен слой (LoWPAN), оптимизиращ IPv6 дейтаграмите за каналната среда на IEEE 802.15.4 и поддръжката единствено на IPv6 от мрежовия слой на 6LoWPAN стека. АКТУАЛНОСТ НА ПРОБЛЕМА

За да бъде ефективно дадено множество от сензори и възли се поражда необходимостта от обмен на информация, извършване на съвместни операции и споделяне на функции между отделните устройства. Това налага изграждане на връзки между хардуерните и софтуерните ресурси. Независимо, че IEEE 802.15.4 и ZigBee са добили популярност при изграждането на безжични сензорни мрежи, за разлика от 6LoWPAN, те имат проблеми при интеграцията с Интернет, така че да се присъединят към т.нар. Интернет на нещата (Internet of Things – IoT), формирайки това, което наричаме вграден безжичен Интернет. Броят на научните доклади, свързани със сензорните мрежи в електронната библиотека IEEE Xplore®, показва относително висок интерес към тематиката (фиг. 3).

ФИГ.3. БРОЙ ДОКЛАДИ В ЕЛЕКТРОННА БИБЛИОТЕКА IEEE XPLORE®, ЗА ПЕРИОДА ОТ 2003 Г. ДО 2014 Г.

5

МОТИВАЦИЯ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ

Идеята за отдалечен мониторинг и контрол на обекти и все по-широкото навлизане на Интернет на нещата (Internet of Things – IoT) позволяват свързването на вградени устройства като сензори, домакински уреди, метеорологични станции и др. с мрежи базирани на Интернет протокола. Това от своя страна има редица предимства, най-важни от които са минимизирането на времето за реакция и използване на съществуваща мрежова инфраструктура. Прогресивно нарастващият брой на устройствата и мрежите води до необходимост от взаимовръзка на хетерогенни мрежи и решаване на произтичащите от това проблеми. Актуалността на проблема и липсата на единна литература са мотивацията за написването на настоящия дисертационен труд. ЦЕЛ И ЗАДАЧИ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Цел на настоящия дисертационен труд е проектиране, изследване и оптимизиране на безжични мрежи.

Поставената цел обуславя следните задачи: Да се изследват характеристиките на стандарти IEEE 802.15.4/ZigBee за работа на

безжични сензорни мрежи, Да се предложи подход за апроксимация на основни сензорни характеристики, Да се изследват възможностите за оптимизация на безжични мрежи, работещи по

стандарт ZigBee, Да се проектира сензорна мрежа по стандарт ZigBee, като се осигури

конвергенцията ѝ с облачно-базирани платформи, Да се проектират и изследват безжични мрежи, работещи по стандарт 6LoWPAN. АПРОБАЦИЯ

Изследванията в дисертацията, както и приложението на резултатите от тях, са свързани със следните научноизследователски проекти: „Проектиране и изследване на безжични Интернет ориентирани сензорни мрежи“

по Договор №122ПД0041-07, към Научноизследователски сектор на ТУ – София, с ръководител доц. д-р инж. Боянка Николова, изпълнен в Технически университет – София.

„Проектиране на токозахранващи схеми за LTE безжични комуникационни приложения“ по Договор № 151ПР0011-07, към ТУ – София, с ръководител гл. ас. д-р инж. Тихомир Брусев, изпълнен в Технически университет – София.

СТРУКТУРА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Изложението на настоящата дисертация обхваща пет глави. Глава I разглежда характеристиките и особеностите на стандартите за работа на

безжични сензорни мрежи IEEE 802.15.4 и ZigBee. Разгледани са основните сензорни характеристики и сензорните параметри. Обобщени са основните характеристики на използваните в дисертацията стандарти за работа на безжични сензорни мрежи.

Глава II представя възможностите за апроксимация на емпирично получени нелинейни сензорни характеристики с подходящи математически изрази и метод за оценка на точността. Предложен е метод за избор на най-точен модел. Представени са апроксимации с математически израз на предавателните характеристики на магниторезистивен сензор KMY 21 на Measurement SpecialtiesTM и на използвания в

6

безжичната сензорна мрежа газов сензор MQ-3 на Zhengzhou Winsen Electronics, намиращ приложение при измерване на замърсеността на въздуха.

Глава III представя възможностите за оптимизация на безжични мрежи, работещи по стандарт ZigBee. За целта са анализирани слоевете от протоколния стек и техните основни изисквания. Изследвани са единиците за пренос и управление, форматите на основните рамки и честотното формиране на каналите.

Глава IV представя както подход за проектиране, така и създаване на сензорна мрежа, работеща по стандарт ZigBee и конвергенция с облачно-базирани платформи. В главата са представени подходи за: избор на XBee модули, реализация на сензорни възли, избор на радиочестотен обхват. Извършен е мрежов анализ на реализираната мрежа, чрез детектиране мрежовата топология, предаваните дейтаграми и трафичното натоварване. Предложен и реализиран е подход за осигуряване на достъп на сензорната мрежа до Интернет. Осигурено е отдалечено управление на мрежата и възлите от нея, посредством облачно-базирана платформа. Обезпечен е, както преносът на данни до облачно-базираната платформа, така и тяхното по-нататъшно съхранение.

Глава V представя проектиране, изследване и реализация на безжични мрежи по стандарт 6LoWPAN. Разгледана е архитектурата на 6LoWPAN, изследвани са функциите на адаптационния слой, основния формат на рамката, адресирането в мрежата, методите за препредаване/маршрутизиране на рамките, компресията на хедъра, фрагментирането и реасемблирането на IPv6 дейтаграмите. ГЛАВА I. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА СТАНДАРТИ IEEE 802.15.4 И ZIGBEE ЗА РАБОТА НА

БЕЗЖИЧНИ СЕНЗОРНИ МРЕЖИ 1.1. УВОД

ZigBee е стандарт, дефиниращ комуникационните протоколи за нискоскоростни мрежи, работещи на къси разстояния. ZigBee-базираните безжични устройства работят в честотните обхвати: 868 MHz, 915 MHz и 2.4 GHz. Максималната скорост за пренос на данни е 250 Kb/s. Стандартът ZigBee е насочен главно към нискоскоростни приложения, с основни изисквания като ниска цена и дълъг живот на батерийното захранване. Стандартът е разработен от ZigBee Alliance, използвайки физическия (PHY) и каналния (MAC) слой на стандарт IEEE 802.15.4.

Цел на тази глава е класификацията на сензорите и изследване на характеристиките на използвания в дисертационния труд стандарт ZigBee. Тази глава разглежда основните характеристики на стандарт IEEE 802.15.4 и базирания на него стандарт ZigBee, използван в настоящия дисертационен труд за реализация на сензорни мрежи. Тъй като тематика изисква относително добро познаване на сензорите и техните характеристики е направена класификация и сравнение между използвания по-нататък в изложението сензор с цифров изход и негов аналог с аналогов изход. За изпълнение на целта на настоящата глава са поставени следните задачи: да се извърши сравнителен анализ и класификация на различните сензори, да се анализират основните характеристики на стандарти IEEE 802.15.4/ZigBee, На базата на направените разглеждания и изводи ще бъде избрана насока за изследване и анализ, с която да се изпълни поставената цел пред дисертационния труд.

7

1.9. ИЗВОДИ И ПРИНОСИ

Цел на настоящата глава е класификацията на сензорите и изследване на характеристиките на използвания в дисертационния труд стандарт ZigBee, намиращ приложение при изграждането на сензорната мрежа по-нататък в изложението. За постигане на поставената цел са направени систематизация на сензорните параметри, сравнителен анализ и класификация на различните сензори.

Използването на стандарт ZigBee наложи да бъдат обобщени основните характеристики на стандарт IEEE 802.15.4 и базирания на него стандарт ZigBee, като работен радиочестотен обхват, скорост на предаване на информацията, типове устройства в мрежата, архитектура на протоколния стек, поддържани мрежови топологии, осигуряване на множествен достъп, методи за пренос на информацията, адресиране, канален достъп и верификация на данните. ГЛАВА II. АПРОКСИМАЦИЯ НА ОСНОВНИ СЕНЗОРНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ 2.1. УВОД

Често сензорните характеристики са нелинейни. Поради това преобразуването на нелинейна предавателна характеристика в математически израз, с достатъчно голяма точност, силно улеснява автоматизираното измерване на различни величини и може да намери разнообразни приложения [A2]. Цел на настоящата глава е да бъде предложен подход при апроксимирането на нелинейни характеристики. За постигане на тази цел са формулирани следните задачи: да се изследват и обобщят основните методи за апроксимиране на емпирично

получени нелинейни характеристики с подходящи математически изрази, да се анализират получените грешки при апроксимацията.

За онагледяване на подхода при апроксимирането са използвани предавателните характеристики на магниторезистивен сензор KMY 21 на Measurement SpecialtiesTM и газов сензор MQ-3 на Zhengzhou Winsen Electronics. 2.2. АПРОКСИМИРАНЕ НА ДАННИ. МОДЕЛИ И ГРЕШКИ В MATHWORKS MATLAB®

При апроксимация на функция, чиито стойности в редица точки са известни само емпирично, е вероятно те да съдържат грешки, които могат да бъдат големи. От друга страна често се изисква такава апроксимация на функцията, с която може да се работи аналитично и по-специално да се диференцира с разумна степен на точност. За получаване на математически израз на редица нелинейни сензорни характеристики е удобно да се използва програмният пакет Curve Fitting Toolbox на MathWorks MATLAB®, поради голямото разнообразие от математически функции, включени в библиотеката му. Получените данни от апроксимацията могат да бъдат използвани като входни данни при моделиране и симулиране на различни видове сензори, намиращи приложение в сензорните мрежи.

Параметричното апроксимиране включва намиране на коефициенти (параметри) за един или повече модели, които прилягат на данните [6]. Приема се, че данните трябва да са статистически по природа и разделени на две компоненти: детерминирана компонента и случайна компонента [A4], [A7].

Детерминираната компонента се дава от параметричния модел, а случайната компонента често се описва като грешка от данните.

Моделът е функция на независима променлива и един или няколко коефициента. Грешката представя случайни колебания в данните, следващи специфично

8

вероятностно разпределение (обикновено Гаусово). Систематични колебания също е възможно да съществуват и да доведат до резултат, представящ данните неточно [2].

Като параметрични библиотечни модели в Curve Fitting Toolbox са включени: експоненциален, суми на Фурие, Гаусов, полиномен, степенни изрази, частно от полиноми, суми от синусоиди, разпределение на Вейбул. Възможно е модифициране на съществуващ модел или създаване на нов от потребителя. 2.3. ОЦЕНЯВАНЕ НА ТОЧНОСТТА НА АПРОКСИМАЦИЯТА

За оценка доколко е сполучлива апроксимацията се използват изчислените от Curve Fitting Toolbox на MathWorks MATLAB® [A1], [109]: дисперсия (Sum of Squares due to Error – SSE); коефициент на детерминираност (R-square – R2); коригиран коефициент на детерминираност (Adjusted R-square – Adjusted R2); грешка от средноквадратично отклонение (Root Mean Squared Error – RMSE).

При отсъствие на точно зададени граници на тези величини често процесът на апроксимиране се състои от известен брой итерации, резултатите от които се сравняват с цел получаване на оптимален резултат.

2.4. АПРОКСИМАЦИЯ НА ПРЕДАВАТЕЛНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ИЗПОЛЗВАНИТЕ СЕНЗОРИ

По описаната по-горе методология са направени апроксимации на предавателните функции на магниторезистивен сензор KMY 21 на Measurement SpecialtiesTM и на използвания газов сензор MQ-3 на Zhengzhou Winsen Electronics [85], [138]. Последният намира приложение при измерване на замърсеността на въздуха.

На фиг. 2.2 са представени графичните резултати от апроксимацията на каталожните данни с предвижданите интервали с вероятност 95% и грешките от апроксимацията.

В табл. 2.2 са представени числените резултати изведени от Curve Fitting Toolbox на MathWorks MATLAB®, като избраната функция със съответните ѝ коефициенти, изразяващи съответните предавателни функции на сензорите. В графа „Грешки“ са представени и изчислените от Curve Fitting Toolbox на MathWorks MATLAB® дисперсия, коефициент на детерминираност, коригиран коефициент на детерминираност и грешка от средноквадратично отклонение, чрез които се прави оценка на получената точност при апроксимацията на предавателните функции на сензорите.

9

(А)

(Б)

ФИГ. 2.2. ПОЛИНОМНА ПРОКСИМАЦИЯ ОТ ВТОРА (А) И ТРЕТА СТЕПЕН (Б) НА

ПРЕДАВАТЕЛНАТА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ГАЗОВ СЕНЗОР MQ-3

10

ТАБЛ. 2.2. ЧИСЛЕНИ СТОЙНОСТИ НА КОЕФИЦИЕНТИТЕ И ГРЕШКИТЕ ОТ НАПРАВЕНИТЕ

АПРОКСИМАЦИИ НА ПРЕДАВАТЕЛНАТА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ГАЗОВ СЕНЗОР MQ-3

Апроксимация Полиномна апроксимация от трета

степен Полиномна апроксимация

от втора степен Функция f(x) = p1.x3 + p2.x2 + p3.x + p4 f(x) = p1.x2 + p2.x + p3

Коефициенти

p1 5.38e-08 -1.398e-05 p2 −5.836e-05 0.01104 p3 0.02143 2.048 p4 1.426 –

Грешки

Дисперсия 0.0395 0.2564 Коефициент на

детерминираност 0.9925 0.9515

Коригиран коеф. на детерминираност

0.991 0.9454

Грешка от средноквадратично

отклонение 0.05132 0.1266


Нелинейният характер на характеристиките на някои сензори, поражда интерес към преобразуването на тези характеристики в математически израз с определена точност. Това силно улеснява автоматизираното измерване на различни величини и може да намери разнообразни приложения.

По тази причина в настоящата глава са синтезирани основните методи за апроксимиране на нелинейни сензорни характеристики. Разгледани са грешките при апроксимацията и е направена оценка на нейната точност,

Предложен е метод за избор на най-точен модел, чрез анализ на графичните и числените резултати от апроксимацията в Curve Fitting Toolbox на MathWorks MATLAB®,

Чрез разработения подход са апроксимирани предавателните характеристики на магниторезистивен сензор KMY 21 на Measurement SpecialtiesTM и на използвания в безжичната сензорна мрежа газов сензор MQ-3 на Zhengzhou Winsen Electronics, намиращ приложение при измерване на замърсеността на въздуха. ГЛАВА III. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВЪЗМОЖНОСТИТЕ ЗА ОПТИМИЗАЦИЯ НА БЕЗЖИЧНИ МРЕЖИ, РАБОТЕЩИ

ПО СТАНДАРТ ZIGBEE

Протоколните слоеве на ZigBee са базирани еталонния модел за взаимовръзка между отворени системи (Open System Interconnect – OSI) на Международната организация по стандартизация (International Standards Organization – ISO). От OSI модела, ZigBee използва само слоевете, съществени за работата на нискоконсумирщата, нискоскоростна безжична мрежа. Най-долните (PHY и MAC) слоеве са дефинирани от стандарта IEEE 802.15.4. Мрежовият (NWK) и приложният слой (APL) се дефинират от стандарта ZigBee.

Всеки слой комуникира със съседните слоеве, чрез точки за достъп до услугите (Service Access Point – SAP). SAP е идейното място, на което протокол от един слой може да изиска услуги от друг протоколен слой.

При имплементацията на стандарт ZigBee в сензорните мрежи е необходимо изследване на възможностите за тяхната оптимизация, което е цел на настоящата

11

глава, поради липсата им в единна литература. За постигане на тази цел са поставени следните задачи: да се анализират слоевете от протоколния стек и техните основни изисквания, да се изследват единиците за пренос и управление, да се изследват форматите на основните рамки, да се анализира честотното формиране на каналите. 3.5. MAC ПРОТОКОЛ Периодът за достъп на съдържание започва след пилотния сигнал и продължава до началото на свободния от съдържание период (фиг. 3.19). При нулева дължина на свободния от съдържание период, периодът за достъп на съдържание продължава до края на активната част на суперрамката.

ФИГ. 3.19. СТРУКТУРА НА СУПЕРРАМКАТА 3.9. ИЗВОДИ И ПРИНОСИ

При имплементацията на стандарт ZigBee в сензорните мрежи е необходимо изследване на възможностите за тяхната оптимизация, което е цел на настоящата глава, поради липсата им в единна литература.

За постигане на поставената цел са изследвани слоевете от протоколния стек на стандарт за безжични мрежи ZigBee. Извършена е систематизация на техните основни изисквания при преноса на данни.

Изследвани и систематизирани са както единиците за пренос и управление, така и форматите на основните рамки.

Направен е анализ на радиочестотното формиране на комуникационните канали.

12

ГЛАВА IV. ПРОЕКТИРАНЕ НА СЕНЗОРНА МРЕЖА ПО СТАНДАРТ ZIGBEE И КОНВЕРГЕНЦИЯ С ОБЛАЧНО-БАЗИРАНИ ПЛАТФОРМИ 4.1. УВОД

Изградените, за целите на настоящия дисертационен труд, сензорни възли са базирани на платформа Arduino. Изборът на тази микроконтролерна платформа е направен с оглед на следните ѝ характеристики: относително ниска цена, сравнена с други микроконтролерни платформи; възможност за кросплатформена разработка [21], [133]; относително проста програмна среда [50], [87]; софтуер с отворен код с възможности за разширение с библиотеки на С++ или

работа с AVR-C код [95], [132]; хардуер с отворен код с възможности за разширение, позволяващ изграждане на собствена версия на модула, разширяване и подобряването му [29], [33], [97].

Безжичните сензорни мрежи и използваните от тях протоколи имат специфични характеристики, които трябва да бъдат взети под внимание [10]. Най-важните от тях са: наличие на специфичен канален (МАС) слой, използването на честотната лента, размер на дейтаграмите, наличие на периоди на неактивност на възлите от мрежата и вида на източника на токозахранване. Работната среда на голяма част от възлите на безжичната сензорна мрежа налага използване на батерийно захранване. Това от своя страна изисква наличие на периоди на неактивност на възлите и относително малък размер на пренасяните дейтаграми, с което се увеличава „живота“ на възлите и редуцира необходимостта от поддръжка. 4.7. СЪЗДАВАНЕ НА ZIGBEE СЕНЗОРНА МРЕЖА

Основно XBee приемо-предавателите се разделят според хардуера на: XBee серия 1 и XBee серия 2. Това разделение е най-оптимално от гледна точка на големия брой комбинации от компонентна база, използван фърмуер (микропрограмно обезпечаване) [2], [3], [5], [6] излъчвана мощност и типа на използваната антена [51]. Модулите от тип Серия 1 XBee са подходящи за системи със сравнително малък размер, за разлика от модулите от Серия 2, които поддържат целия ZigBee протоколен стек. Освен това от направеното сравнение се вижда, че хардуерът от Серия 2 освен по-добър обхват има и по-ниска консумация (табл. 4.5).

13

ТАБЛ. 4.1. СРАВНЕНИЕ НА СТАНДАРТНИТЕ XBEE МОДУЛИ ОТ СЕРИЯ 1 И СЕРИЯ 2

Серия 1 Серия 2 Обхват на закрито 30 метра 40 метра Обхват при пряка видимост 100 метра 120 метра Ток предаване/приемане 45/50 mA 40/40 mA

Фърмуер (типичен) 802.15.4 „точка до

точка“ ZB Zigbee mesh

Цифрови входно/изходни пинове 8 (плюс 1 само

входен пин) 11

Аналогови входни пинове 7 4 Аналогови (ШИМ) изходни пинове 2 Няма Маршрутизиране тип „решетка“, ad-hoc изграждане на мрежа и самовъзстановяване

Не Да

Топологии „точка до точка“ и „звезда“ Да Да Топологии „звезда“ и „дърво“ Не Да Единствен фърмуер за всички режими Да Не Изискване на координатор Не Да Мрежа, базирана на стандарт Да Да Приложения базирани на стандарт Не Да

Наличен фърмуер IEEE 802.15.4, DigiMesh (на

производител)

ZB(ZigBee 2011), ZNet 2.5 (остарял)

Актуалност и активна поддръжка Да Да

XBee модулите могат да работят в два режима: команден и прозрачен. По подразбиране XBee / XBee-PRO модулите, използващи АТ фърмуер, работят в прозрачен режим. В този режим модулите препредават информацията във вида, в който я получат. Когато модулът не може незабавно да изпрати информацията (например в този момент се приема информация по радиочестотния канал), тя се съхранява в буфер. За промяна или четене на параметрите на модула, той трябва да се приведе в команден режим – състояние, при което постъпващите символи се интерпретират като команди. В команден режим се поддържат две опции: АТ и API (Application Programming Interface – API).

Използването на приложен програмен интерфейс (API) [2] е алтернатива на прозрачния режим на работа и позволява на приложенията да взаимодействат директно с мрежовите възможности на модула като: промяна на параметрите без привеждане на модула в команден режим (само за XBee

модули), преглед на индикатора за силата на получения сигнал (RSSI) и адреса на източника

на пакета, получаване на потвърждение при доставяне на всеки изпратен пакет.

Описаните по-горе режими на взаимодействие с XBee модулите са локални за отделните модули и касаят комуникацията с модулите по сериен интерфейс. Безжичната комуникация между XBee модулите е независима от локалната (фиг. 4.2) [A6]. Това позволява комуникация между модули, работещи в прозрачен/команден режим и модули, работещи в API режим. Всяка АТ команда може да бъде изпратена до отдалечен възел само, чрез използване на API режим. Режимът, в който работи

14

даден XBee модул се определя в момента на програмирането му, чрез зареждането на съответен ZigBee фърмуер.

ФИГ. 4.2. РЕАЛИЗИРАНАТА ЛОКАЛНА И ОТДАЛЕЧЕНА КОМУНИКАЦИЯ С XBEE МОДУЛИ

4.8. ПРОГРАМИРАНЕ НА XBEE РАДИОЧЕСТОТЕН МОДУЛ. ИЗПРАЩАНЕ НА АТ КОМАНДИ

За програмиране на радиочестотния модул се изисква комуникация по сериен интерфейс между него и персонален компютър. За привеждане на модула в АТ команден режим се използва командната последователност

+++ (4.1) и е необходимо да бъдат спазени защитните времеинтервали преди и след командните символи. Най-честата причина за неуспешно привеждане на модула в команден режим са различните стойности бодовата скорост в използвания софтуер и бодовата скорост на интерфейса за данни на модула (по подразбиране 9600 b/s). АТ командите и параметрите използват следния синтаксис:

АТ ASCII Разстояние Параметър Връщане на каретката префикс команда (опционално) (опционален, HEX)

ATDL 1F<CR> 4.9. ОТГОВОР НА СИСТЕМАТА

За изграждане на сензорната мрежа са използвани два възела и базова станция (фиг. 4.4).

15

ФИГ. 4.4. ОБЩ ВИД НА ПРОЕКТИРАНАТА ЛОКАЛНА СЕНЗОРНА МРЕЖА

Базовата станция приема изпратените от възлите съобщения и посредством комуникация с крайна система по сериен интерфейс се осигурява визуализация на получената информация. Според изискванията на стандарта единият от сензорните възли трябва да бъде конфигуриран като координатор, а другия – като маршрутизатор. При асоцииране на нови възли към мрежата е необходимо техните модули да имат същия идентификатор на мрежата (PAN ID), като този на координатора и маршрутизатора (стойност в множеството от 0 до 65535). XBee модулът, използван за координатор трябва да използва API фърмуер, тъй като входно-изходните данни се предават в API режим. Използван е формат на API рамката ATAP = 2. Използването на символи за прекъсване (escape characters) в този формат, подобряват надеждността особено в зашумени среди, тъй като за разграничаване на API рамките не се разчита единствено на стартовия разделител и дължината в байтове. Употребата на флаг символ (0х7Е) за начало на пакета предотвратява загубата и на следващ пакет след загуба на байтове от текущия пакет, поради грешката в брояча на дължината.

За отдалечено управление на възлите в ZigBee мрежата е използвана облачно-базираната платформа Device CloudSM на Digi®. Device Cloud позволява, освен наблюдение на текущото състояние на устройствата в мрежата и тяхното бързо и ефективно управление. Най-важните функции на Device Cloud са: опростено управление на устройствата от мрежата, изпращане на съобщения в реално време, чрез SMS, сателитна връзка на Iridium и

др., алармиране и известяване за събития и промяна на състоянията, планиране на график за задачи като автоматични актуализации на фърмуер, услуги за съхранение на данни, API интерфейси за програмна интеграция.

Фиг. 4.13 показва възможностите за отдалечено управление на шлюзовете, използващи XIG. Както се вижда от фигурата, освен подробна информация като локални и глобални IP адреси за текущите устройства, техният тип и версията на фърмуера им, облачната услуга на Digi позволява добавяне на нови устройства и/или промяна на фърмуер, а също така и премахване на вече съществуващи устройства. Промяната на фърмуера е възможна, както за XIG устройствата, така и за XBee възлите. Освен това е осигурена функционалност за качване на файлове, импортиране и експортиране на настройки, конфигуриране, рестартиране и изключване на шлюзовете.

16

ФИГ. 4.13. ВЪЗМОЖНОСТИ НА ОСИГУРЕНОТО ОТДАЛЕЧЕНО УПРАВЛЕНИЕ НА XIG ШЛЮЗОВЕ

На фиг. 4.16, а е показана мрежовата топология, базирана на анализа на трафика между устройствата. Изобразената топология включва, освен устройствата, от които са прихванати съобщения и устройства, за които е предназначен трафик от други възли. Това се осъществява, чрез анализиране на пилотните рамки на координатора и разпределените адреси, таблиците за асоцииране и информацията за маршрутизиране. На фиг. 4.16, б е изведена информацията за всеки възел, броя на съседните му възли и съответно кои са те.

(А)

(Б)

ФИГ. 4.16. СЪЗДАДЕНАТА ТОПОЛОГИЯ НА ZIGBEE-БАЗИРАНАТА СЕНЗОРНА МРЕЖА (А) И

ТАБЛИЧЕН ВИД НА УСТРОЙСТВАТА В МРЕЖАТА (Б)

17

На фиг. 4.17 са показани пакет, изпратен от сензорен възел до координатора и потвърждението за получаването му, изпратено от координатора до възела. Данните в рамката са диференцирани спрямо слоя от еталонния модел, който ги е генерирал.

(А)

(Б)

ФИГ. 4.17. ДЕТЕКТИРАНИТЕ РАМКИ: ИНФОРМАЦИОННА (А) И ПОТВЪРЖДЕНИЕТО ЗА

ПОЛУЧАВАНЕТО Ѝ (Б)

На фиг. 4.18 е показана диаграма на анализирания трафик между координатора и другите устройства в сензорната мрежа. На диаграмата се вижда процентното съотношение на генерираните данни от слоевете на стандарт IEEE 802.15.4.

18

ФИГ. 4.18. РЕЗУЛТАТИ ОТ НАПРАВЕНИЯ АНАЛИЗ НА ТРАФИКА В ZIGBEE-БАЗИРАНАТА

СЕНЗОРНА МРЕЖА

Фиг. 4.19 показва хистограма на дължината на обменяните съобщения в ZigBee мрежата.

ФИГ. 4.19. РЕЗУЛТАТИ ОТ НАПРАВЕНИЯ АНАЛИЗ НА ДЪЛЖИНАТА НА СЪОБЩЕНИЯТА В

ZIGBEE-БАЗИРАНАТА СЕНЗОРНА МРЕЖА

На фиг. 4.20 е показан броят на съобщенията в мрежата, според техния тип (информационни рамки и рамки за потвърждение).

19

ФИГ. 4.20. СТАТИСТИЧЕСКИ ДАННИ ЗА СЪОБЩЕНИЯТА В ZIGBEE МРЕЖАТА ОТ НАПРАВЕНИЯ

АНАЛИЗ

Фиг. 4.21 показва броя на получените съобщения в изследвания радиочестотен канал. Съобщенията се разделят на добри, невалидни (с некоректни МАС полета) и съобщения с лоша CRC.

ФИГ. 4.21. СТАТИСТИКА НА АКТИВНОСТТА В РАДИОЧЕСТОТНИЯ КАНАЛ ОТ НАПРАВЕНИЯ

АНАЛИЗ

20

ФИГ. 4.22. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НА ПРЕДАДЕНАТА ИНФОРМАЦИЯ ОТ СЕНЗОРНИТЕ ВЪЗЛИ В

THINGSPEAK И ГЕОГРАФСКО МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ НА РЕАЛИЗИРАНАТА МРЕЖА

21


Освен сензорите свързани непосредствено, чрез използване на съществуващи локални мрежи, с контролери и станции за обработка на данните, нараства и броят на сензорите, изпращащи безжично събраната информация. Това налага на сензорните възли, освен сензорен елемент, да притежават както възможности за обработка и съхранение на данните, така и да притежават радиочестотни приемо-предавателни модули.

В настоящата глава е предложен и реализиран подход за оптимален избор на XBee модули при проектиране на сензорна мрежа, според конкретните изисквания към нея.

Предложен и експериментално тестван е начин за създаване на сензорни възли, базирани на хардуер и софтуер с отворен код, което осигурява относително ниска себестойност на отделните възли и гъвкавост при проектирането.

Предложен и осъществен е подход за избор на работен радиочестотен канал, чрез анализ на активността и нивата на шума в работния честотен обхват.

Извършен е мрежов анализ, чрез детектиране на: текущата мрежова топология, предаваните дейтаграми между възлите и трафичното натоварване.

Предложен и реализиран е подход за осигуряване на достъп на сензорната мрежа до Интернет, чрез използване на специализиран хардуер или алтернативната му софтуерна реализация. Осигурено е отдалечено управление на мрежата и възлите от нея, посредством облачно-базирана платформа. Обезпечени са, както преносът на данни до облачно-базирана платформа, така и тяхното по-нататъшно съхранение, визуализиране и анализиране. ГЛАВА V. ПРОЕКТИРАНЕ И ИЗСЛЕДВАНЕ НА БЕЗЖИЧНИ МРЕЖИ, РАБОТЕЩИ ПО СТАНДАРТ 6LOWPAN 5.1. УВОД

Цел на тази глава е проектирането и изследването на безжични мрежи, работещи по стандарт 6LoWPAN. За изпълнение на тази цел са поставените следните задачи: да се анализира архитектурата на 6LoWPAN, да се изследват функциите на адаптационния слой и основния формат на 6LoWPAN

рамката, да се изследва адресирането и методите за препредаване/маршрутизиране на

рамките в безжичната мрежа, да се изследва компресията на хедъра, фрагментирането и реасемблирането на IPv6

дейтаграмите. 5.2. АРХИТЕКТУРА НА 6LOWPAN

Наборът от Интернет стандарти, позволяващи употребата на Интернет протокол версия 6 в маломощни безжични мрежи (IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks) позволява реализацията на т.нар. безжичен вграден Интернет. 6LoWPAN позволява използването на IPv6 в безжични мрежи от вградени устройства с ограничени изчислителни възможности и ниска консумация. Архитектурата на 6LoWPAN най-общо е показана на фиг. 5.2 [A5]. LoWPAN мрежите са свързани с други IP мрежи, посредством крайни маршрутизатори. Крайният маршрутизатор маршрутизира входящия и изходящия трафик и поддържа 6LoWPAN компресията и откриването на съседни възли [46], [54]. LoWPAN се състои от възли, които могат да са хостове или маршрутизатори и един или повече краен

22

маршрутизатор. Протоколният стек на IPv6 с 6LoWPAN, нар. още 6LoWPAN протоколен стек е почти идентичен на обикновения IP стек със следните разлики: 6LoWPAN поддържа само IPv6. По тази причина е дефиниран адаптационен слой,

оптимизиращ IPv6 за IEEE 802.15.4 каналните слоеве; Най-често използван транспортен протокол в 6LoWPAN е UDP (User Datagram

Protocol – протокол за потребителски дейтаграми), който може да бъде компресиран в LoWPAN формат.

Адаптацията между пълния IPv6 формат и 6LoWPAN формата се извършва от крайните маршрутизатори.

ФИГ. 5.2. АРХИТЕКТУРА НА 6LOWPAN

Основната функционалност на 6LoWPAN е съсредоточена в адаптационния слой, осигуряващ компресия на хедърите (IPv6, UDP) и фрагментация на дейтаграмите. В най-добрият случай 6LoWPAN/UDP хедърът е с дължина 6 байта, докато стандартния IPv6/UDP е с размер 48 байта (фиг. 5.4) [40], [43], [86].

23

0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

Версия Трафичен клас Етикет на потока

IPv6

Дължина на полезната информация Следващ хедър Лимит на хоповете

Адрес на източника

Адрес на получателя

Порт на източника Порт на получателя

UD

P

Дължина Контролна сума

(А)

0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

Диспечерски байт и LOWPAN_IPHC LOWPAN_NHC Източн. Получат. UDP контролна сума …

(Б)

ФИГ. 5.4. ХЕДЪРИ: СТАНДАРТНИ IPV6/UDP (A) И КОМПРЕСИРАНИ 6LOWPAN/UDP (Б)

Пълносвързаната (mesh) мрежова топология, при която всеки възел е свързан с всички останали, разширява покритието на мрежата и редуцира цената от необходимата инфраструктура. За постигането на такава топология, от възлите се изисква многохопово препредаване. В 6LoWPAN това може да се постигне по три начина: на канално ниво (link-layer mesh), на ниво адаптационен слой (LoWPAN mesh) и на мрежово ниво (IP routing) [90]. Препредаването на канално и адаптационно ниво е прозрачно за Интернет протокола и се отнасят към т.нар. Mesh-Under препредаване, докато IP маршрутизирането е известно като Route-Over.

5.2. ФУНКЦИИ НА АДАПТАЦИОННИЯ СЛОЙ

Тъй като IP мрежовия интерфейс се характеризира с максимален размер на

пакета, който може да бъде изпратен от този интерфейс, а невинаги информационните единици на втори слой могат да поберат такъв пакет. IPv6 дефинира минимална стойност на MTU 1280 байта, докато IEEE 802.15.4 може да пренася пакети на второ ниво с размер до 127 байта [80]. Така за преноса на IPv6 пакет посредством пакети от втори слой е необходимо сегментиране (нар. фрагментиране в 6LoWPAN) и реасемблиране [81], [106]. Поради самостоятелността на пакетите в Интернет протокола, хедърите съдържат информация, която може да бъде извлечена от контекста. Освен това IP/UDP хедърът е с размер 48 байта, което е значителна част от наличните 127 байта на стандарт IEEE 802.15.4. По тази причина стандарт 6LoWPAN осигурява компресия на хедъра.

24

На фиг. 5.16, а е показана мрежовата топология, базирана на анализа на трафика между устройствата. Препредаването на пакетите в показаната мрежа, с топология „дърво“, се осъществява в каналния слой (Mesh-Under) според MAC или късите адреси на възлите. Изобразената топология включва, освен устройствата, от които са прихванати съобщения и устройства, за които е предназначен трафик от други възли. Това се осъществява, чрез анализиране на пилотните рамки на координатора и разпределените адреси, таблиците за асоцииране и информацията за маршрутизиране. На фиг. 5.16, б е изведена информацията за всеки възел, броя на съседните му възли и съответно кои са те.

(A)

(Б)

ФИГ. 5.16. ТОПОЛОГИЯ НА РЕАЛИЗИРАНАТА 6LOWPAN-БАЗИРАНА СЕНЗОРНА МРЕЖА

(А) И ТАБЛИЧЕН ВИД НА УСТРОЙСТВАТА В НЕЯ (Б)

На фиг. 5.18 са показани пакет, изпратен от сензорен възел до координатора и потвърждението за получаването му, изпратено от координатора до възела. Данните в рамката са диференцирани спрямо слоя от еталонния модел, който ги е генерирал.

(А)

(Б)

ФИГ. 5.18. ДЕТЕКТИРАНИТЕ: ИНФОРМАЦИОННА РАМКА (А) И ПОТВЪРЖДЕНИЕ ЗА

ПОЛУЧАВАНЕТО Ѝ (Б)

25

На фиг. 5.19 е показана диаграма на анализирания трафик между шлюза и другите устройства в сензорната мрежа. На диаграмата се вижда процентното съотношение на генерираните данни от слоевете на стандарт IEEE 802.15.4.

ФИГ. 5.19. РЕЗУЛТАТИ ОТ НАПРАВЕНИЯ АНАЛИЗ НА ТРАФИКА В 6LOWPAN-БАЗИРАНАТА

СЕНЗОРНА МРЕЖА

Фиг. 5.20 показва хистограма на дължината на обменяните съобщения между шлюза, маршрутизатора и крайното устройство.

ФИГ. 5.20. РЕЗУЛТАТИ ОТ НАПРАВЕНИЯ АНАЛИЗ ЗА ДЪЛЖИНАТА НА СЪОБЩЕНИЯТА В

6LOWPAN-БАЗИРАНАТА СЕНЗОРНАТА МРЕЖА

26

На фиг. 5.21 са показани броя на съобщенията в мрежата, според техния тип (информационни рамки и рамки за потвърждение).

ФИГ. 5.21. СТАТИСТИКА НА СЪОБЩЕНИЯТА В 6LOWPAN МРЕЖАТА ОТ НАПРАВЕНИЯ АНАЛИЗ

Фиг. 5.22 показва броя на получените съобщения в изследвания радиочестотен канал. Съобщенията се разделят на добри, невалидни (с некоректни МАС полета) и съобщения с лошa CRC.

ФИГ. 5.22. СТАТИСТИКА НА АКТИВНОСТТА В РАДИОЧЕСТОТНИЯ КАНАЛ ОТ НАПРАВЕНИЯ

АНАЛИЗ

На фиг. 5.23 са показани възлите в 6LoWPAN мрежата и техните параметри като работно напрежение, енергията на приетия сигнал, индикатора за качеството на

27

връзката и измерената температура. Управлението на координатора на мрежата е осъществено посредством приложението deCON6 на dresden elektronik ingenieurtechnik gmbh [85], [98].

ФИГ. 5.23. УПРАВЛЕНИЕ НА РЕАЛИЗИРАНАТА 6LOWPAN МРЕЖА

На фиг. 5.24 е показано управление на 6LoWPAN мрежа, използваща IP маршрутизиране (Route-Over). За конфигуриране на мрежата е използван софтуерния продукт NodeView на Texas Instruments.

ФИГ. 5.24. УПРАВЛЕНИЕ НА СЪЗДАДЕНАТА 6LOWPAN МРЕЖА

28

На фиг. 5.25, а, б, се вижда промяната в мрежовата топология при физическо преместване на възлите в мрежата. Вижда се, че преместването се отразява на взаимовръзката между двойките възли, което при определени обстоятелства може да доведе до промяна на точката за присъединяване на възлите към мрежата.

(А)

(Б)

ФИГ. 5.25. ИЗСЛЕДВАНАТА МРЕЖОВА ТОПОЛОГИЯ (А) И ПРОМЯНАТА Ѝ ПРИ

ПРЕМЕСТВАНЕ НА ВЪЗЕЛ ОТ МРЕЖАТА (Б)

29


Проектирането, реализирането и изследването на безжични мрежи, работещи по стандарт 6LoWPAN наложи в настоящата глава да се анализира архитектурата на стандарта.

Изследвани са функциите на адаптационния слой и основния формат на 6LoWPAN рамката.

Изследвани са както адресирането, методите за препредаване и маршрутизиране на рамките в създадените мрежи, така и компресията на хедъра, фрагментирането и реасемблирането на IPv6 дейтаграмите при преноса им по споделената среда за достъп на стандарт IEEE 802.15.4.

В настоящата глава са реализирани безжични мрежи, използващи Mesh-Under препредаване и Route-Over маршрутизиране,

Направен е мрежов анализ, чрез детектиране на текущата мрежова топология, предаваните съобщения между възлите и трафичното натоварване. ПРИНОСИ В ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД 1. Направен е сравнителен анализ и класификация на различни видове сензори чрез

систематизиране на основните им параметри. Също така са обобщени основните характеристики на стандарти IEEE 802.15.4 и ZigBee.

2. Синтезирани са основните методи за апроксимиране на нелинейни сензорни характеристики и е предложен метод за избор на най-точен модел на базата на оценка на получените грешки. Разработеният подход е приложен при апроксимиране на предавателните характеристики на магниторезистивен сензор KMY 21 на Measurement SpecialtiesTM и газов сензор MQ-3 на Zhengzhou Winsen Electronics.

3. Изследвани са слоевете от протоколния стек на стандарт за безжични мрежи ZigBee, при което са систематизирани единиците за пренос и управление и форматите на основните рамки. Направен е анализ на радиочестотното формиране на комуникационните канали.

4. Предложен и експериментално тестван е подход за реализация на сензорна мрежа, базирана на хардуер и софтуер с отворен код, което осигурява относително ниска себестойност на отделните възли и гъвкавост при проектирането. Изборът на използвания хардуер е направен чрез подробен сравнителен анализ на параметрите и възможностите на различните XBee модули, според конкретните изисквания към сензорната мрежа.

5. Предложен и осъществен е подход за избор на работен радиочестотен канал, чрез анализ на активността и нивата на шума в работния честотен обхват. Извършен е мрежов анализ, чрез детектиране на текущата мрежова топология, предаваните дейтаграми между възлите и трафичното натоварване.

6. Предложен и реализиран е подход за осигуряване на достъп на сензорната мрежа до Интернет, както чрез използване на специализиран хардуер, така и чрез алтернативната му софтуерна реализация. Осигурено е отдалечено управление на мрежата и възлите от нея, посредством облачно-базирана платформа. Обезпечен е, както преносът на данни до облачно-базирана платформа, така и тяхното по-нататъшно съхранение, визуализиране и анализиране.

7. Реализирани са безжични мрежи по стандарт 6LoWPAN, използващи Mesh-Under препредаване и Route-Over маршрутизиране. Направен е мрежов анализ чрез детектиране на текущата мрежова топология, предаваните съобщения между възлите и трафичното натоварване.

30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящия дисертационен труд се разглеждат проблемите и възможностите за оптимизация на безжичните мрежи с ниска консумация, тъй като те са подходящи за реализирането на сензорни мрежи. Бяха решени различни задачи, свързани с реализирането на основната цел – осигуряване на Интернет достъп, отдалечeно наблюдение и управление на сензорни мрежи, които не притежават такава стандартна функционалност.

В процеса на работа бяха направени систематизация на сензорните параметри, сравнителен анализ и класификация на различните сензори, с цел подходящ избор на сензори в зависимост от конкретното приложение. Бяха обобщени основните характеристики на стандарти за безжични мрежи IEEE 802.15.4 и ZigBee, като: работен радиочестотен обхват, скорост на предаване на информацията, типове устройства в мрежата, архитектура на протоколния стек, поддържани мрежови топологии, осигуряване на множествен достъп, методи за пренос на информацията, адресиране, канален достъп и верификация на данните.

Бяха синтезирани основните методи за апроксимиране на нелинейни сензорни характеристики, чрез математически изрази. За целта бяха разгледани грешките от апроксимацията и беше направена оценка на нейната точност, което послужи за избор на най-точен модел при апроксимирането на предавателните характеристики на използваните сензори.

Беше предложен и реализиран подход за оптимален избор на XBee модули при проектиране на сензорна мрежа, според конкретните изисквания към нея. Беше предложен и експериментално тестван начин за реализация на сензорни възли, базирани на хардуер и софтуер с отворен код, което осигурява относително ниска себестойност на отделните възли и гъвкавост при проектирането. Беше предложен и осъществен подход за избор на работен радиочестотен канал, чрез анализ на активността и нивата на шума в работния честотен обхват. Беше извършен мрежов анализ, чрез детектиране на: текущата мрежова топология, предаваните дейтаграми между възлите и трафичното натоварване. Беше предложен и реализиран подход за осигуряване на достъп на сензорната мрежа до Интернет, чрез използване на специализиран хардуер или алтернативната му софтуерна реализация. Беше осигурено отдалечено управление на мрежата и възлите от нея, посредством облачно-базирана платформа. Беше обезпечен, както преносът на данни до облачно-базирана платформа, така и тяхното по-нататъшно съхранение, визуализиране и анализиране.

Като алтернатива на ZigBee-базираните мрежи бяха проектирани, изследвани и създадени безжични мрежи, работещи по стандарт 6LoWPAN. Последните, за разлика от ZigBee мрежите, имат стандартна функционалност позволяваща преноса на IPv6 пакети по IEEE 802.15.4 мрежа.

31

СПИСЪК С ПУБЛИКАЦИИ НА АВТОРА [A1] Nikolova, B., G. Nikolov, M. Todorov. Curve Fitting of Sensors’ Characteristics. Annual Journal of Electronics, Vol. 3, Number 1, pp. 188-191, ISSN 1313-1842, Sozopol 14-17 September, Sofia, 2009. [A2] Nikolova, B., M. Todorov, T. Brusev. Curve Fitting for Sensors’ Analog Behavioural Modelling. iCEST2011, Vol. 3, pp. 941-944, ISBN 978-86-6125-033-0, June 29-July 1, Niš, 2011. [A3] Todorov, M., B. Nikolova, G. Nikolov. Network Layer in Wireless Sensor Networks, 10th International Conference on Challenges in Higher Education and Research in The 21st Century, pp. 137-140, ISBN 978-954-580-318-5, 5 – 8 June 2012, Sozopol, Bulgaria. [A4] Nikolova, B., G. Nikolov, M. Todorov. SPICE Modelling of Magnetoresistive Sensors. iCEST2012, Vol. 2, pp. 529-532, ISBN 978-619-167-003-1, June 28-30, Veliko Tarnovo, 2012. [A5] Todorov, M. Interconnecting Hosts and 6LoWPAN Nodes via Internet Using IPv4 and IPv6. Computer & Communications Engineering, Vol. 7, No. 1/2013, pp. 82-85, ISSN 1314-2291. [A6] Todorov, M., B. Nikolova, G. Nikolov. Internet access to ZigBee-based sensor network. Computer & Communications Engineering, Vol. 7, No. 2/2013, pp. 67-70, ISSN 1314-2291. [A7] Nikolova, B., G. Nikolov, M. Todorov. SPICE modelling of magnetoresistive sensors. Int. J. of Reasoning-based Intelligent Systems, 2014, Vol. 6, No. 1/2, pp. 12-18, DOI: 10.1504/IJRIS.2014.063948. [A8] Gieva, E., M. Todorov, T. Takov, B. Nikolova. Integrated Sensors’ Modelling via Different Circuit Simulators. Annual Journal of Electronics, Vol. 8, pp. 36-39, ISSN 1314-0078, Sozopol 11-13 September, Sofia, 2014.

32

RESUME

DESIGN, RESEARCH, AND OPTIMIZATION OF WIRELESS SENSOR NETWORKS

The sensors are an interface of the physical world with the virtual world. Wireless sensor networks consist of a large number of sensor nodes with arbitrary density. These networks are opportunity, and challenge for developing of large number of applications, including the protection of civil infrastructures, habitat monitoring, precision agriculture, toxic gas detection, supply chain management, and health care. However, the design of wireless sensor networks introduces formidable challenges, since the required body of knowledge encompasses a whole range of topics in the field of electrical and computer engineering, as well as computer science. The Internet of Things involves connecting embedded device such as sensors to Internet Protocol based networks. With the advances made in microcontroller, low-power radio, battery and microelectronic technology allow smart embedded devices to become IP-enabled, and an integral part of the services on the Internet.

The object of current dissertation is the study for design, development, and optimization of wireless sensor networks. The performed tasks in the thesis are following: (I) research of characteristics of the standards for wireless sensor networks IEEE 802.15.4 and ZigBee, (II) to be proposed methodology for curve fitting of non-linear sensors’ characteristics, (III) research of the possibilities for optimization of ZigBee sensor networks, (IV) design of ZigBee sensor network and ensuring convergence with cloud platforms, (V) design and research of 6LoWPAN wireless networks.

Chapter 1 presents systematization of sensors’ parameters and classification of different sensors. The basic characteristics of IEEE 802.15.4/ZigBee standards like: frequency range, data bitrate, types of devices in the network, architecture of the protocol stack, supported network topologies, provisioning of multiple access method, channel access mechanisim, addressing and data verification.

Chapter 2 presents systematic approach for curve fitting of nonlinear sensors’characterisics. Method for assessing goodness of fit was proposed. Using the proposed approach, the transfer functions of Measurement SpecialtiesTM’ KMY 21 and Zhengzhou Winsen Electronics’ MQ-3 gas sensor, used in the sensor network, was fitted.

Chapter 3 explores the layers of the ZigBee protocol stack, data and management entities and was carried out systematization of their basic requirements and analysis of frequency channel assignments.

Chapter 4 presents an approach for creation of a ZigBee sensor network and convergence with cloud-based platforms. In this chapter has been made a network analysis of created network by detected network topology, transmitted datagrams and the network traffic. It has been proposed and implemented an approach for providing remote access and management of sensor network via cloud-based platforms.

Chapter 5 presents design, research and creation of 6LoWPAN networks. It has been made a network analysis of created networks with Mesh-Under forwarding and Route-Over routing.

The thesis consists of an introduction, five chapters, conclusion, three annexes and references within a span of 180 pages. The thesis consists of 86 figures, 15 tables, list of contents, list of abbreviations and 143 references.

ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И...

Documents