Беспроводные системы связи в последнее время получили широкое развитие в обороне и авиакосмической отрасли. Они поддерживают индивидуальные средства защиты современных солдат, применяются в управлении необслуживаемыми объектами, в системах медицинского мониторинга. Средства защиты военнослужащего во время выполнения боевой задачи должны обрабатывать все более растущие потоки данных, практически без участия человека. Эти обусловлено тем, что новая технология Интернета вещей выходит на рынки авиакосмической и военной промышленности. Отметим, что по оценкам компании Ericsson к 2021 году ожидается, что из приблизительно 28 млрд. сетевых устройств в мире, около 16 миллиардов будут отвечать требованиям технологии Интернета вещей, а в течение ближайших 10 лет существенно расширится частотный диапазон в военных системах связи. Технология Интернета вещей основывается на новой элементной базе в области телекоммуникаций. Так, например, новая ИМС компании Analog Devices типа AD9361 представляет собой программно определяемый приемопередатчик (Software Defined Radio – SDR) , который позволяет программно устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, причем такая архитектура адаптирована к разным протоколам и стандартам связи. Использование новой ИМС расширяет частотный диапазон и, соответственно, количество данных, которыми обмениваются, например, военнослужащие во время выполнения боевой задачи: данные о состоянии военнослужащего, его положении в пространстве, телевизионные сигналы и др. На рис. 1 показаны типовые системы и устройства, используемые в унифор- ме современного солдата. Причем с увеличением уровня интеграции уменьшаются размеры и вес носимого оборудования, расширяется количество разнотипных сенсоров, что повышает живучесть военнослужащего в целом.
Рост числа встраиваемых в униформу сенсоров, увеличение объема снимаемых с них данных выдвигают дополнительные требования к беспроводным системам связи. Должна быть расширена полоса частот приема-передачи данных.
Данные от множества источников должны быть агрегированы и обработаны перед передачей в командный центр связи для повышения качества мониторинга состояния военнослужащего и повышения надежности управления боевыми подразделениями. Расширение использования необслуживаемых автоматических транспортных средств и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) тоже ужесточает требования к скорости передачи и приема данных. В сфере обороны в настоящее время находят применение такие платформы как Northrop Grumman Global Hawk и AeroVironment Raven UAV. Современные беспроводные сети и спутниковые системы связи в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к управлению автоматическими транспортными и беспилотными системами.
Рис. 1. Встроенная в униформу система жизнеобеспечения современного бойца
Однако, наряду с военными изделиями, эта область техники быстро пополняется коммерческими аналогами, что еще более ужесточает требования, предъявляемые, прежде всего, к приемопередатчикам. Отметим, что в последние годы беспроводная связь становится преобладающей в пассажирской авиации, в которой до последнего времени использовались в основном проводные сенсоры и исполнительные механизмы.
Это привело к тому, что в современном самолете кабели связи включали до 100 000 линий протяженностью более 400 м и весом свыше 5000 кГ. В связи с этим Институт авиакосмических систем (Aerospace Vehicle Systems Institute – AVSI), США, совместно с другими правительственными и коммерческими организациями занялся альтернативными разработками в области бортовой связи самолетов. Специальная группа в составе этого института – Wireless Avionics Intracommunications (WAIC) – приступила к разработке беспроводных бортовых систем связи. В первую очередь, с точки зрения этой группы, подлежат переходу на беспроводные технологии следующие группы сенсоров:
• индикатор дыма
• индикатор количества топлива
• индикатор приближения
• сенсор температуры
• детектор электромагнитных помех
• детектор влажности/коррозии
• детектор давления в кабине • детектор аварийного освещения
• детектор обледенения
• индикатор положения и состояния шасси
• индикатор наличия наземного управления полетом
• сенсор открывания двери
• сенсоры работы двигателя
• индикатор работы интерфейса электронноцифровой системы управления двигателем
• индикатор аэродинамических данных
• прогноз работы двигателя
• видеоизображение кабины экипажа
• индикатор состояния локальной сети
• сенсоры мониторинга медицинских параметров
• индикатор вибраций.
Преимущества беспроводных сенсоров обоснованы их применением в других мобильных транспортных средствах. Для эффективности такого решения, уменьшения массогабаритных показателей беспроводные сенсоры должны иметь автономное (батарейное) питание. Таким образом, начиная от персональных сенсорных сетей для повышения живучести военнослужащих и заканчивая беспроводными сенсорными сетями в пассажирских авиалайнерах, новые технологии постепенно вытесняют проводные сети.
Ключевыми факторами развития таких технологий явилось создание новых микроэлектронных приемопередатчиков, миниатюрных сенсоров, а также существенное снижение потребляемой этими устройствами мощности. К приемопередатчикам для беспроводных каналов относятся такие новые ИМС компании Analog Devices, как AD9361 (рис. 2), а для ISM диапазона ИМС ADF7023 и ADF7024 (рис. 3). Приемопередатчики AD9361, AD9364 предназначены для поддержания связи в полосе от 200 кГц до 56 МГц с частотной модуляцией в диапазоне от 70 МГц до 6 ГГц.
Рис. 2. Функциональная схема ИМС приемопередатчика AD9361
Используя архитектуру прямого цифрового преобразования с применением усилителя с низким уровнем шумов, смесителя, быстродействующих АЦП и процессора, можно обеспечить высокую надежность связи в широкой полосе частот. Отметим, что указанные приемопередатчики являются программно реконфигурируемыми устройствами, что дает возможность использовать их в различных устройствах военного назначения, причем потребляемая мощность данных ИМС не превышает 1 Вт.
Приемопередатчики ADF7023, ADF7024, ADF7242 отличаются малым потреблением и предназначены для работы в ISM диапазоне частот, а именно: 433, 868 и 915 МГц, а также 2. 4 ГГц. Отметим, что эти приемопередатчики не обладают функциональной гибкостью, присущей ИМС AD9361, но они поддерживают связь в той же полосе частот, что и последняя ИМС, и, в то же время, имеют более низкое потребление и, соответственно, более длительное время эксплуатации без подзарядки аккумуляторных батарей.
Рис. 3. Функциональная схема ИМС приемопередатчика ADF7023 для ISM диапазона частот
Сенсорные узлы в системах Интернета вещей должны быть максимально приближены к приемопередатчикам и, желательно, выполнены по микроэлектронной технологии с использованием малошумящих усилителей и АЦП для измерения, например, температуры, тока, напряжения и т.п. По такой же технологии могут быть изготовлены сенсоры положения, навигаторы, сенсоры медико-физиологических параметров, которые встраиваются в униформу военнослужащего. Так, например, ADIS16488A iSensor® – это полностью микроэлектронный инерциальный сенсор, включающий трехосный гироскоп и трехосный магнитометр, который может быть использован как сенсор вибраций и как трекер (схема отслеживания движения). На рис. 4 приведена функциональная схема построения мультисенсорного узла беспроводной сенсорной сети, включающая каналы связи.
Рис. 4. Функциональная схема построения мультисенсорного узла беспроводной сенсорной сети
ВЫВОДЫ
Технология Интернета вещей начинает активно применяться в авиакосмической и оборонной промышленности. Об этом свидетельствуют и новые примеры униформы для военнослужащих, и замена проводных сетевых технологий беспроводными аналогами в авиакосмической промышленности. Все это требует создания новой элементной базы, которая должна сохранять высокие параметры, характерные для военных и авиакосмических изделий, и, в то же время, обладать новыми возможностями по реконфигурации, потребляемой мощности, массогабаритным показателям и т.п. Этим требованиям в полной мере отвечают новые разработки компании Analog Devices, которые уже сейчас находят применение в современных изделиях военного и космического назначения.
Лайкнути
Твітнути