ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ДВУХПРОТОКОЛЬНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

28.04.2023 |

Сенсорные смарт-сети на основе современных информационно-коммуникационных технологий дают возможность существенно улучшить параметры систем тестирования биологически активных, химических и токсических веществ, биологических или биохимеческих объектов, повысить качество контроля параметров, обработки и анализа данных в цифровом земледелии, пищевой промышленности, медицине, экологическом мониторинге и других областях.
Эти средства нового поколения объединяют биологические чувствительные элементы (биосенсоры) с преобразователями биофизических или биохимических сигналов в электрические сигналы.
Важнейшими из характерных признаков биосенсоров являются высокая чувствительность и селективность, простота в использовании и скорость анализа концентрации веществ, а также широкий диапазон параметров, которые могут быть измерены с их помощью.

Рис. 1. Прогнозный рост производства смарт-сенсоров и смарт-приборов

Все это определяет необходимость их применения во многих областях, включая фармацевтическую, пищевую, биологическую и химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину и охрану окружающей среды. Отметим, что сенсорные технологии относят к ключевым мировым технологиям, развитие которых постоянно растет, причем параметры сенсоров совершенствуются в разы, а стоимость их увеличивается незначительно или даже уменьшается. Если использовать такие технологии совместно с информационно-коммуникационными и микроэлектронными технологиями, то происходит качественное изменение суммы технологий в целом.

Такие высокие темпы роста сенсорной электроники обусловлены не только требованиями рынка, но и достижениями как информационно-коммуникационных технологий, так и микроэлектроники. Известные мировые производители микроэлектронной элементной базы, такие как Analog Devices, Texas Instruments, Maxim и другие разрабатывают новые СБИС для работы с биосенсорами, электрохимическими сенсорами, сенсорами физических величин и др. Совершенствуются параметры сетей смарт-сенсоров, повышается их энергоэффективность и надежность. ность и надежность.
Таким образом, разработка и подготовка к серийному производству в Украине смарт-сенсоров и смарт-сетей на их основе находятся в русле современных мировых тенденций. в области таких устройств, предназначенными для использования в растениеводстве и пищевой промышленности Украины, а именно для экспресс-диагностики состояния виноградных и плодово-ягодных культур, а также контроля качества вина и виноматериалов в процессе производства. Следует отметить, что до сих пор в мире, к сожалению, не существует ни одного коммерческого сенсорного устройства для экспрессного определения качества напитков, в том числе вина и виноматериалов. Разработанные системы предназначены для работы в составе смарт-сетей и в автономном режиме.
Структура сенсорной смарт-сети
Для экспресс-диагностики состояния виноградных и плодово-ягодных культур и контроля процесса производства вина использована беспроводная сенсорная сеть, структура которой приведена на рис. 2. Сеть состоит из беспроводных сенсорных узлов (смарт-мультисенсоров), каждый из которых включает набор биосенсоров, координатор сенсорной сети и рабочее место технолога.
Управляющим узлом сети является координатор, основная функция которого заключается в организации сети и поддержке работы элементов сети и сети в целом. Если какой-либо сенсор выходит из строя, координатор сети информирует об этом пользователя и автоматически меняет структуру сети для обеспечения стабильности ее работы и предотвращения потери данных.

Рис. 2. Структура сенсорной сети

Еще одна функция координатора сети заключается в сборе и предварительной обработке измеренных сенсорами данных и передаче их на рабочее место технолога. Кроме того, координатор в случае необходимости имеет возможность передавать данные в сеть Интернет или облачную среду. Беспроводные сенсорные узлы после развертывания подключаются к координатору и образуют сеть смарт-сенсоров в соответствии с заданной программой топологией. Беспроводные смарт-сенсоры размещаются на технологическом оборудовании и осуществляют измерение рабочих параметров в соответствии с технологическим процессом и сертифицированной методикой. Рабочее место технолога предназначается для хранения (архивации), обработки и визуализации данных, которые получены от сети смарт-сенсоров, отображения состояния сети и параметров ее узлов.

С помощью органов управления на рабочем месте технолога (клавиатура или сенсорный экран монитора) предусмотрена возможность удаленного управления технологическим процессом через исполнительные механизмы, которые могут быть включены в состав сети. Архитектура смарт-сети беспроводных сенсоров для применения в промышленном виноделии (с привязкой к технологическому процессу производства вина) приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура смарт-сети беспроводных сенсорных узлов для промышленного виноделия

Координатор сенсорной смарт-сети
Как было отмечено, центральным узлом сети смарт-сенсоров является координатор. Основные функции координатора сенсорной смарт-сети поддерживаются следующими подпрограммами: подпрограммой кластеризации сети, подпрограммой информационного кластера сети, подпрограммой инициализации сети, подпрограммой статуса сети, подпрограммой операций с памятью, подпрограммой измерения, подпрограммой связи с сетью верхнего уровня и подпрограммой обеспечения целостности сети.
Алгоритмическое и программное
обеспечения смарт-сети
Алгоритм работы смарт-сети состоит из следующих шагов. Вначале выполняется инициализация сенсоров и их настройка. После инициализации сенсоры направляют запрос координатору на подключение к сети. После подключения сенсоров к сети координатор направляет им пакет настроек для работы в сети, после чего сенсоры готовы к переходу в рабочий режим. В этом режиме сенсоры получают команды управления от координатора и выполняют их. После организации сети координатор передает в удаленный компьютер запрос на получение необходимых для управления сетью команд. Затем координатор формирует стек из полученных команд и передает их сенсорам для выполнения. При этом алгоритм работы сети в целом должен соответствовать технологической карте производства вина.
Измерительный блок мультисенсора выполнен на основе прецизионного микроконтроллера ADuCM350 компании Analog Devices. Беспроводные узлы базового варианта сети смарт-сенсоров построены на базе беспроводного микроконтроллера JN5168 фирмы NXP, который содержит 32-разродний RISC-процессор с тактовой частотой 32 МГц и беспроводный приемопередатчик, поддерживающий стандарт IEEE802.15.4 на основе протокола ZigBee.
Однако, использование протокола ZigBee в ряде приложений ограничивает возможности сетевых мультисенсорных узлов. Это объясняется тем, что реализация этого протокола предусматривает использование промежуточных преобразователей ZigBee/USB. В то же время в сетях, в которых, например, использованы планшетные компьютеры или мобильные телефоны, USB-порт может вообще отсутствовать, а перечисленные средства поддерживают стандартную сеть типа Wi-Fi или Bluetooth.
Это позволяет в некоторых приложениях заменить специализированный координатор планшетным компьютером или мобильным телефоном. Для этого варианта разработана еще одна версия беспроводной сенсорной сети с использование протоколов ZigBee и Bluetooth 5.
Отметим, что протокол Bluetooth 5 ориентирован на работу со средствами с низким энергопотреблением. Это важно для сети с батарейным источником питания. К основным преимуществам протокола Bluetooth 5 (и более поздних его версий) относятся следующие: обмен данных поддерживается на расстоянии до 150 м (в открытой среде), что практически совпадает с возможностями промышленного протокола ZigBee; в производственном помещении дальность работы сети Bluetooth 5 составляет не менее 30-35 м. Для поддержки работы протокола Bluetooth 5 в координаторе и сенсорных узлах использован беспроводный микроконтроллер nRF52840 фирмы Nordic Semiconductor (рис. 4).

Рис. 4. Беспроводный микроконтроллер nRF52840

Микроконтроллер nRF52840 представляет собой мультипротокольное устройство, которое подерживает работу сетей с протоколами Bluetooth, Thread, ZigBee, 802.15.4 и другими. Он выполнен на снове 32-разрядного процессора ARM Cortex-M4 с плавающей запятой и имеет тактовую частоту 64 МГц. Переключение протоколов выполняется автоматически без перезагрузки программного обеспечения. Использование протокола Bluetooth в дополнение к ZigBee значительно расширяет возможности разработанной сети беспроводных сенсоров. Архитектура двухпротокольной сенсорной сети приведена на рис. 5.

Рис. 5. Архитектура двухпротокольной беспроводной сенсорной сети

Микроконтроллер nRF52840 представляет собой мультипротокольное устройство, которое подерживает работу сетей с протоколами Bluetooth, Thread, ZigBee, 802.15.4 и другими. Он выполнен на снове 32-разрядного процессора ARM Cortex-M4 с плавающей запятой и имеет тактовую частоту 64 МГц. Переключение протоколов выполняется автоматически без перезагрузки программного обеспечения. Использование протокола Bluetooth в дополнение к ZigBee значительно расширяет возможности разработанной сети беспроводных сенсоров. Архитектура двухпротокольной сенсорной сети приведена на рис. 5.
Таким образом, беспроводные сенсорные узлы имеют возможность работы как с протоколом Zig-Bee, так и с протоколом Bluetooth. Кроме того, беспроводные сенсоры такой сети могут работать в автономном режиме под управлением мобильного телефона или планшетного компьютера. Координатор, поддерживающий работу двухпротокольной сенсорной сети, показан на рис. 6.

Рис. 6.Внешний вид координатора (без корпуса) для сети беспроводных мультисенсоров

ВЫВОДЫ
Беспроводные смарт-сети в последнее время находят применение во многих областях человеческой деятельности, включая фармацевтическую, пищевую, биологическую и химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину и охрану окружающей среды. Возможности этих сетей существенно увеличиваются при использовании нескольких протоколов. Реализация таких сетей на основе протоколов ZigBee и Bluetooth позволяет использовать в качестве управляющего узла сети не только специализированные координаторы, но так-же планшетные компьютеры и мобильные телефоны.