Содержание

Введение……………………………………………………………………...…..…4

Глава 1. Анализ предметной области сетей беспроводной передачи данных.…5

1. Основные определения и особенности беспроводных сетей…..…………5

2. Способы передачи данных для мобильных роботов...........….………….16

3. Mesh-сети........................................….…………..…………………………18

4. Постановка задачи на выпускную квалификационную работу……….26

Введение

Современные робототехнические устройства – это не просто усовершенствованные варианты их примитивных предшественников, в их основе лежит принципиально новая технология, получившая развитие лишь во второй половине XX в.: вычислительная техника и информатика. Начавшиеся в конце 50‑х годов обширные исследования в области разработки и использования роботов привели ныне к созданию большого числа разнообразных конструкций, которые пользуются широким спросом в различных сферах человеческой деятельности.

Мобильные роботы способны перемещаться по заданной траектории с высокой скоростью, автономно функционировать длительный период времени в достаточно сложных условиях внешней среды, при этом возможно объединение нескольких мобильных роботов в группы. Группа мобильных роботов способна решать задачи, которые не по силам одному роботу.

Цель данной работы – разработать модуль беспроводной связи для мобильной робототехнической платформы МП-2. Данный робот был создан для проверки в реальности алгоритмов планирования траекторий, обхода препятствий, сбора и обработки показаний датчиков и изображений, изучения поведения роботов в коллективе и проверки на практике различных алгоритмов взаимодействия роботов между собой.

1 Анализ предметной области сетей беспроводной передачи данных

1.1 Основные определения и особенности беспроводных сетей

В современном мире уже никого не удивишь устройством беспроводной передачи данных. В нашу жизнь давно проникли технологии мобильной связи и интернета, системы глобальной навигации и радиоидентификации. Однако лишь относительно недавно беспроводные технологии связи начали применяться в сферах коммунального хозяйства и промышленности. Причем, если в сфере коммунального хозяйства уже множество задач коммуникации решается с помощью беспроводных технологий (сбор показаний счетчиков воды/электроэнергии, управление освещением, сбор информации с разнообразных датчиков, построение системы «умный дом»), то в сфере промышленности аналогичные работы только начинаются. При этом эффективность от внедрения таких систем в промышленности очень высока, так как именно здесь насчитывается множество объектов автоматизации различной сложности, связь между которыми удобно осуществлять через беспроводные каналы. А в случае расположения части системы на движущихся объектах, как это может быть в автоматизированных складах, применение беспроводных сетей оказывается единственно возможным решением.

До последнего времени внедрение этих технологий в промышленность сдерживалось из-за проблем, связанных с надежностью каналов связи в жестких условиях эксплуатации при большом уровне промышленных помех, а также с защитой беспроводных промышленных сетей от несанкционированного доступа. Сейчас ситуация кардинально меняется, и из области «экзотики» беспроводные промышленные сети переходят в область целесообразных технических решений.

Среди наиболее известных беспроводных технологий можно выделить: Wi-Fi, Bluetooth, Wireless USB и относительно новую технологию — ZigBee, которая изначально разрабатывалась с ориентацией на промышленные применения (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Стандарты беспроводной связи

Каждая из этих технологий имеет свои уникальные характеристики, которые определяют соответствующие области применения. Попытаемся сформулировать требования, которым должна удовлетворять технология связи для ее успешного применения в робототехнике. Допустим, имеется некая робототехническая система, состоящая из нескольких мобильных роботов(рис. 1.2) и пульта управления. Пульт управления предназначен сбора и обработки информации, передаваемой этими роботами с различных датчиков, например, датчиков направления, скорости, температуры, освещенности и датчиков наличия препятствий. Управление коллективом роботов может происходить как с помощью пульта управления, так и по заранее заданному алгоритму.

Рисунок 1.2 – Мобильная робототехническая платформа МП-2

Очевидно, что оптимальным вариантом с точки зрения простоты и удобства было бы объединение всех устройств, участвующих в обмене информацией, в единую информационную сеть, работающую в одном стандарте. Поскольку на мобильном роботе могут быть установлены устройства различной сложности и, соответственно, стоимости, то программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий доступ каждого устройства в информационную сеть, должен быть достаточно дешевым. Также технология связи должна обеспечивать необходимую дальность и скорость соединений. А если принять во внимание то, что сеть мобильных роботов может быть дополнен новыми узлами (например, еще одним роботом или устройством сбора информации), то от технологии связи требуется возможность масштабирования. Наиболее существенным для мобильных роботов является проблема продолжительности работы без подзарядки а аккумуляторов, поэтому разрабатываемая система должна иметь низкое энергопотребление Ну и, конечно же, коммуникационная технология должна обеспечивать надежность и безопасность передачи информации.

Рассмотренный случай является типичным примером распределенной системы управления, где каждый из узлов, являясь интеллектуальным, выполняет свою локальую задачу, а связи между узлами являются «слабыми» — в основном по сети передаются команды оперативного, сообщения о состоянии оборудования и показания установленных на роботах датчиков. Из этого следует, что необходимость в передаче больших потоков данных отсутствует.

Таблица 1.1 – Основные стандарты беспроводной передачи данных

1.1.1 Организация IrDA сети. IrDA (Infrared Data Association)—способ передачи данных по средствам инфракрасного луча. При соединении устройства должны находится на малом расстоянии и в зоне прямой видимости. Перед отправкой сообщения его двоичное представление кодируется в последовательность оптических сигналов, принимается и расшифровывается оптическим приемником. Главное преимущество инфракрасной связи — это, конечно же, простота организации канала, определяющая и дешевизну метода. Вкупе с простотой принципов кодирования сигнала эти соображения позволяют без большой головной боли применять беспроводную связь в различных электронных «самоделках»: от чайников, управляемых с компьютера, до устройств автоматического включения света в помещении. Также «в плюс» тот факт, что оптический способ «разговора» защищает информацию от перехвата «третьими лицами». Увы, есть у IrDA и существенные «минусы». Главный — необходимость прямой видимости: любой объект, сопоставимый по размерам с окошком ИК-порта, попадающий на линию «просмотра», прерывает передачу. Во-вторых, связь осуществляется только в режиме «тет-а-тет», то есть приемник способен в данный момент времени «общаться» лишь с одним передатчиком. В-третьих, стандарт не предусматривает специального шифрования, а значит, при передаче по-настоящему секретных данных лучше еще на уровне подготовки информации пользоваться дополнительными мерами обеспечения безопасности.

В общем, как «плюсов», так и «минусов» достаточно. С помощью ИК легко связывать мобильные устройства со стационарными или друг с другом. Например, часто именно так «знакомят» сотовые телефоны или мобильные компьютеры со стационарной периферией. Универсальный порт избавляет от необходимости носить с собой data-кабель. С другой стороны, требования стандарта IrDA затрудняют его использование для «постоянно подключенных устройств» (например, беспроводных клавиатур, т.к. не всегда гарантирована прямая видимость) или для развертывания мини-сетей мобильных устройств (например, соединения нескольких КПК с одним компьютером).

1.1.2 Организация W-iFi сети. Технология беспроводной передачи данных WiFi, основана на стандарте IEEE 802.11. В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС.. W-iFi ориентирован на передачу относительно больших объемов информации, – это может быть потоковое видео, HiFi аудио, голос.

Сформулируем некоторые ключевые особенности стандарта WiFi. К его достоинствам относятся: высокая скорость передачи данных; компактность; большое разнообразие модулей под разные задачи; высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами W-iFi разных производителей; защита передаваемых данных.

Основные недостатки таковы: большое энергопотребление и невозможность работы в течение длительного времени от автономных источников питания; относительно высокая стоимость (по сравнению с Bluetooth и ZigBee).

Характерные особенности стандарта Wi-Fi диктуют основные области его применения. Это: Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi могут применяться в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии. Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi могут применяться наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации. Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.

1.1.3 Организация Bluetooth сети. Беспроводная технология Bluetooth, основана на стандарте IEEE 802.15.1, является стандартом, определяющим функционирование компактных систем связи на небольших расстояниях между мобильными персональными компьютерами, мобильными телефонами и иными портативными устройствами. Bluetooth представляет собой недорогой радиоинтерфейс с небольшим энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов. Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена дальность до 1000 м.

Проанализировав современное состояние технологии Bluetooth, можно обозначить плюсы и минусы. К достоинствам стандарта относятся: высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей; защита передаваемых данных; низкая стоимость; высокая дальность действия, универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.

Среди недостатков отметим: Относительно высокое энергопотребление (работа от автономных источников питания не всегда возможна); относительно невысокая скорость обмена данными (до 1 Мбит/с). Как правило, реальная скорость обмена данными ограничивается пропускной способностью внешних аппаратных интерфейсов модуля.

Одно из основных преимуществ стандарта Bluetooth заключается в его высоком уровне стандартизации и широчайшем распространении в составе пользовательских электронных устройств. Это позволяет в ряде случаев прак­тически в два раза сэкономить время и затраты на разработку при проектировании некоторой системы сбора данных, телеметрии или управления на основе Bluetooth, поскольку в качестве одной из сторон беспроводного обмена данными может выступать, например, обычный серийно выпускаемый ноутбук или коммуникатор с поддержкой данной технологии.

Исходя из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения в России и за рубежом:

Автомобильная электроника. Модули, системы удаленного управления и телеметрии, компьютерная техника и телекоммуникационное пользовательское оборудование. Ноутбуки, сотовые телефоны, смартфоны, торговые терминалы со встроенной функцией Bluetooth.

1.1.4 Организация UWB сети. UWB (Ultra Wideband) – технология радиочастотной связи, основанная на передаче импульсов очень короткой продолжительности (несколько наносекунд и даже меньше) в самом широком на сегодня диапазоне частот (от 3 до 10 ГГц), из-за чего скорость передачи данных может достигать очень больших значений. Оборудование, использующее эту технологию, потребляет меньше мощности и при работе на одинаковых частотах с другими коммуникационными устройствами не создает существенных помех. Сфера применения данной технологии не ограничивается только беспроводными коммуникациями, UWB так же может использовать для передачи данных коаксиальные кабеля или витые пары с потенциальной скоростью передачи данных более 1 Гигабита в секунду.

UWB фундаментально отличается от других радиочастотных способов связи. Уникальность технологии состоит в том, что она не использует в качестве несущего сигнала синусоиду. Вместо этого используются модулированные высокочастотные низкоэнергетические импульсы с длительностью менее 1 нс.

Так как UWB использует широкий диапазон частот, скорость беспроводной передачи данных может достигать 480 Мбит/с, но на очень небольших дистанциях – до 3 метров. При увеличении расстояния до 10 метров можно достичь скорости не более 100 Мбит/с. В этом кроется основная проблема данной технологии: с увеличением расстояния резко падает скорость передачи данных, гораздо быстрее чем у Wi-Fi сетей.

1.1.5 Организация ZigBee сети. ZigBee (IEEE, 802.15.4) - это стандарт для низкоскоростных персональных сетей беспроводной связи - Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и колеблется от 256 кбит/с, до скромных 20. Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA). Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных, что позволяет использовать метод CSMA-CA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения. 

Сеть ZigBee разработана с учетом работы в сложной помеховой обстановке. Для борьбы с помехами предусмотрены следующие механизмы: расширение спектра передаваемого сигнала, процедура предотвращения коллизий, измерение параметров канала передачи, контроль целостности данных, подтверждение приема и повторные отсылки пакетов. Для расширения спектра исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, в результате чего в эфир передается шумоподобный сигнал. Метод расширения спектра передаваемого сигнала (DSSS) позволяет эффективно бороться с узкополосными помехами. Перед тем как начать передачу устройство отслеживает — свободен ли канал, и, в случае занятости, делает паузу случайной величины, после чего вновь повторяет попытку. Такой механизм предотвращает одновременный выход в эфир двух и более передающих устройств. Если при передаче информации произошел сбой, то приемник может обнаружить этот факт с помощью проверки контрольной суммы переданного пакета (CRC- cyclic redundancy check). Если все же какой-то узел сети оказывается неработоспособным из-за помех или физической неисправности, информация может дойти до приемника через другие, соседние узлы.

Эксперты уже давно указывают на два основных недостатка беспроводных сетей W-iFi и Bluetooth - небольшой радиус действия и относительно высокое энергопотребление.

Хотя само по себе ZigBee-оборудование также не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, оно может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств W-iFi или Bluetooth, естественно, если они находятся в зоне видимости. Что касается энергопотребления, то, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет.

Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. При применении 64-битной адресации в единую сеть могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств. Наконец, после начала массового производства стоимость контроллеров ZigBee, по идее, окажется существенно ниже стоимости контроллеров Wi-Fi и Bluetooth.

Исходя из особенностей стандарта ZigBee, сформулируем его плюсы и минусы. Достоинства:

1. низкая стоимость ($3 - $5);

2. возможность организации сети различной топологии (число узлов до 2⁶⁴ при IEEE адресации и 2¹⁶ при локальной адресации);

3. возможность увеличения дальности связи без дополнительного усиления радиосигнала;

4. высокая надежность сетевых решений и самовосстанавливаемость системы (использование процедуры маршрутизации);

5. многоуровневая система безопасности;

6. ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет).

Недостатки:

1. недостаточно высокий уровень стандартизации и отсутствие единой программно-аппаратной платформы для разработки сложных приложений;

2. невысокая скорость передачи данных. Большая часть трафика ZigBee тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, пакеты синхронизации и т. д. Полезная скорость передачи данных составляет около 30 кбит/с.