CC BY
24
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т 1, №2
УДК 519.6: 621.37
СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ПРИЕМО-ПЕРЕДАТЧИКОВ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
В.Ф. Тележкин, А.Н. Казимиров
SYSTEM OF MONITORING OF CONDITION OF BUILDING OBJECT BASED TRANSCEIVERS ULTRA-WIDE-BAND CHAOTIC RADIO PULSES V.F.Telezhkin, A.N.Kazimirov
Аннотация. В данной работе исследуется использование сверхширокополосной беспроводной связи и сенсорных систем в качестве альтернативы классическим проводным системам мониторинга технического состояния уникальных строительных сооружений. Радиоэлектронная система мониторинга инженерно-технического обеспечения, которая представляет собой совокупность технических, радиотехнических, вычислительных и программных средств позволяет осуществлять сбор и обработку информации о различных параметрах работы системы инженерно-технического обеспечения здания (сооружения) с целью контроля возникновения в ней дестабилизирующих факторов и передачи сообщений о возникновении или прогнозе аварийных ситуаций в единую систему оперативно-диспетчерского управления региона.
Ключевые слова: сверхширокополосная система связи; беспроводная сенсорная связь динамический хаос; генератор хаоса.
Abstract. In hired using of ultra- stripe off-wire connection and sensory systems is investigated as an alternative to the classic wire systems of monitoring of the technical state of of building. Radio electronic system of monitoring of the technical providing, that is totality of radiotechnical, calculable and programmatic facilities allows to carry out collection and treatment of information about the different parameters of work of systems of the technical providing of building with the purpose of define origin in her destabilizing factors and passing of messages about an origin or prognosis of emergency situations in the single system of management.
Keywords: ultra- stripe off-wire; sensory systems; systems of monitoring; radio electronic systems; destabilizing factors; chaos generator.
При выборе системы мониторинга необходимо учитывать скорости протекания процессов и их изменение во времени, продолжительность измерений, ошибки измерений, в том числе за счет изменения состояния окружающей среды, а также влияния помех и аномалий природно-техногенного характера. Мониторинг технического состояния зданий и сооружений, попадающих в зону влияния нового строительства и природно-техногенных воздействий, планируют с использованием новых систем приема-передачи информации в аналоговых и цифровых коммуникационных радиоэлектронных системах.
В последнее время в области строительного мониторинга постоянно возрастает интерес к применению беспроводных сетей приема-передачи информации (БСПИ) для сбора показаний с распределенных датчиков, поскольку такой подход значительно сокращает затраты времени и средств на монтаж, пусконаладку и последующее техническое сопровождение системы [1]. Микросистемная беспроводная технология применяется для построения сенсорных узлов беспроводных сетей, беспроводной (антенной) передачи данных, генерации и запаса энергии для беспроводного (автономного) питания и, в перспективе, допускает еще более высокие уровни интеграции и автономности
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
беспроводных сенсорных узлов и сетей. В настоящей работе представлена автоматизированная беспроводная система мониторинга, предназначенная для непрерывного статического контроля напряженно - деформированного состояния и структурной целостности строительных конструкций, а также параметров окружающей среды. На рис.1 показана блок-схема, представляющая принцип построения системы мониторинга [2].
Рисунок 1- Блок-схема системы мониторинга
Эта система технически может быть реализована на основе отечественной аппаратно -программной платформы и представляет собой беспроводную сенсорную сеть, состоящую из множества распределенных в пространстве узлов с датчиками, одного шлюза (точка сбора) и сервера на базе персонального компьютера. Датчики подключаются к сенсорным узлам кабелями длиной до нескольких метров в зависимости от типа датчика и схемы включения. Для организации беспроводной сети из узлов и шлюза используются маломощные радиочастотные приемопередатчики стандарта IEEE 802.15.4 нелицензируемого диапазона 2,4 ГГц. Дальность связи между соседними узлами определяется условиями распространения сигналов и может достигать нескольких десятков метров. Далее полученные результаты в виде пакета с цифровыми данными передаются в точку сбора по радиоканалу. При этом в общем случае сеть имеет многоячейковую топологию, то есть каждый узел в случае необходимости ретранслирует пакеты для их доставки точке сбора. Сенсорные узлы автоматически выполняют поиск маршрутов доставки пакетов как при первоначальном развертывании сети, так и в случае выхода соседних узлов из строя. За счет этого достигается более высокая степень надежности по сравнению с проводными системами передачи данных, так как при проведении строительных работ крайне высока вероятность механических повреждений кабельных линий связи.
Структурная схема отдельного узла сенсорной сети представлена на рисунке 2. Как видно из рисунка, датчик сенсорной сети содержит в своем составе: радиомодем, включающий маломощный приемопередатчик и микроконтроллер (МК). МК, в свою очередь, имеет в своем составе вычислительное ядро, ОЗУ, Flash, ПЗУ, EEPROM, АЦП, блок обработки прерываний, определенную номенклатуру интерфейсов и ряд иных периферийных узлов, в зависимости от конкретного устройства; узел питания. В цепях питания реализована защита от перенапряжения и от переполюсования клемм. Возможна дополнительная схема для подачи питания от внешнего источника; блок визуализации - для отображения текущего состояния устройства (опционально); блок ввода - для смены режимов работы, перезагрузки и т.д. (опционально); интерфейсный блок, содержащий те или иные порты ввода/вывода, например, программирования или подключения внешнего датчика.
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
Узел сенсорной связи
Блок питания
Блок ввода
Защита от Защита от
обратного
включения перенапряж
ения
питания
Измерение
состояния Линейный
источника регулятор
питания
Устройство датчика
Интерфейсный блок
Рисунок 2 - Структурная схема узла сенсорной связи
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) - это распределенная сеть необслуживаемых миниатюрных электронных устройств (узлов сети), которые осуществляют сбор данных о параметрах внешней среды и передачу их на базовую станцию посредством ретрансляции от узла к узлу с помощью беспроводной связи [4].
В целом применение предлагаемой технологии позволит обеспечить следующие преимущества подсистемы сбора данных:
-гибкость конфигурации при установке датчиков и сенсорных узлов; -снижение трудозатрат на монтаж, пусконаладку и сопровождение; -простота наращивания системы;
-высокая отказоустойчивость в условиях возможного выхода из строя датчиков или сенсорных узлов;
-длительный срок службы элементов питания сенсорных узлов за счет автоматического перехода в «спящий» режим.
Полученные от сенсорных узлов данные шлюз сохраняет в энергонезависимой памяти, отмечая время их поступления и другую служебную информацию для однозначного последующего восстановления из архива собранных данных. Таким образом, шлюз выполняет функцию автономного регистратора показаний, поступающих от распределенных датчиков. Далее с помощью специального программного обеспечения информация из шлюза может быть загружена на сервер для отображения и последующей обработки [5].
Исследуемая в работе радиоэлектронная система приема - передачи информации (РСПИ) обеспечивает только сбор, регистрацию и отображение показаний от множества датчиков, установленных на различных элементах конструкций для контроля их напряженно-деформированного состояния и структурной целостности. Дальнейшая интерпретация и анализ полученных данных требуют применения экспертных знаний, применение интеллектуальных информационных технологий и специализированных математических пакетов. При проектировании подобных РСПИ требуется решать задачу распределения и преобразования взаимодействующих между собой потоков информации. Оптимальным решением может быть применение широкополосных (сверхширокополосных -
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №2
СШП) сигналов и применение стандарта беспроводных персональных коммуникационных сетей (WPAN) - IEEE 802.15.4a. Для этого созданы и исследованы генераторы хаотических колебаний, в которых широкополосные сигналы могут формироваться на основе хаотического сигнала, причем, используются как аналоговые, так цифровые генераторы хаоса.
Интенсивное исследование коммуникационных схем, использующих хаотические сигналы, поставило на повестку дня вопрос о принципиальных возможностях динамического хаоса в организации новых нетрадиционных способах многопользовательского доступа. Одно из потенциальных решений связано с использованием фрагментов хаотических сигналов непосредственно в качестве расширяющих последовательностей для прямого расширения спектра информационного сигнала в технологии кодового разделения сигналов. Вместе с тем, актуальным является поиск многопользовательских схем связи, опирающихся на специфические свойства динамического хаоса. Накопленный к настоящему времени опыт построения экспериментальных схем связи, использующих хаотические колебания в качестве носителя информации, свидетельствует о достижении определенной степени конфиденциальности передачи. Действительно, стороннему наблюдателю зачастую невозможно напрямую извлечь полезный сигнал из смеси его с хаотическим сигналом.
Уровень конфиденциальности, степень скрытности передачи далеко не всегда удовлетворяют требованиям закрытых каналов связи. Вопросы уровня конфиденциальности, качества скрытности передачи, создания стойких к несанкционированному доступу каналов связи должны стать предметом отдельного детального исследования специалистов-криптоаналитиков. Вместе с тем, процедура ввода полезного сигнала в хаотический и его последующее извлечение (хаотическое кодирование / декодирование), способные обеспечить определенную степень приватности передачи, представляют собой самостоятельную ценность и могут быть использована в уже существующих каналах связи. Важным здесь является вопрос интегрируемости такой процедуры в известные и широко используемые системы связи. Такого рода исследования с одной стороны могут привнести новое качество в известные технические решения, а с другой стороны существенно ускорить процесс непосредственного внедрения идей хаотической динамики, поскольку для их реализации не требуется осуществлять системные разработки с нуля. Речь идет о стратегиях использования методов хаотического кодирования в существующих коммуникационных технологиях. С этой точки зрения привлекательными представляются современные цифровые коммуникационные системы и прежде всего компьютерные сети. В качестве основных объектов исследования в работе выбраны динамические системы с дискретным временем -хаотические отображения. Очень важным прикладным аспектом динамического хаоса является коммуникационные задачи. По своим внешним свойствам хаотические колебания представляют собой непериодические нерегулярные сигналы, обладающие сплошным спектром мощности и быстро спадающей автокорреляционной функцией. Это ставит их потенциально в один ряд с шумоподобными псевдошумовыми сигналами, широко применяемыми в современной технике связи. Поиск места хаотических сигналов, использование их специфических свойств и особенностей представляется одной из важных задач на пути построения новых нетрадиционных систем связи, использующих хаотические колебания в качестве информационного носителя. Дополнительный импульс в попытках использования хаоса в коммуникационных задачах связан с необычным характером взаимодействия динамических хаотических систем и, прежде всего, с явлением хаотической синхронизации аналоговой информации в радиодиапазоне.
Особое место занимает направление, связанное с использованием хаоса в информационных технологиях. Интерес к этому не случаен и определяется, прежде всего, свойствами хаотических колебаний. Оказалось, что хаотические системы обладают набором специфических свойств, делающих их привлекательными с точки зрения процессов обработки, построения схем передачи информации. К этим свойствам относятся:
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
--2015, Т. 1, №2
• естественная широкополосность хаотических сигналов свидетельствующая потенциально большой информационной емкости;
• возможность "вложения", хранения и извлечения с использованием хаоса большого количества полезной информации;
• генерация сложных, в том числе нерегулярных колебаний с помощью относительно простых по структуре систем;
• многообразие хаотических режимов (мод), формируемых с помощью одного источника
• эффективное управление хаотическими режимами может осуществляться путем малых изменений параметров системы
• потенциально высокие скорости модуляции по отношению к традиционным методам за счет высокой чувствительности хаотических систем к внешним возмущениям
• возможность применения нетрадиционных методов мультиплексирования/ демультиплексирования
• самосинхронизация передатчика и приемника
• определенная степень конфиденциальности при передаче сообщений с использованием хаотической несущей.
В заключение необходимо отметить, что мало получить достоверную информацию о состоянии объекта мониторинга, необходимо также решать задачи восстановления их свойств.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Тележкин В.Ф., Казимиров А.Н. Генератор фрактального сигнала для радиотехнических систем // Цифровая обработка сигналов и её применение: сб. трудов 15-той Международной конференции (г. Москва, март 2013 г., Российское научно техническое общество радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова). М., 2013.
2. Айме К.А. Мониторинг зданий и котлованов, ч. 2 // Строительные материалы, оборудование, технологии века, 2005. № 11. С. 37-39.
3. Шахраманьян М.А., Нигметов Г.М. и др. Способ динамических испытаний зданий. Патент РФ № 2141635, G01M7/00, 1999.
4. Nitaigour P.M. (Editor) Sensor networks and configuration fundamentals, standards, platforms, and applications // Springer, 2007. 510 p.
5. Кучерявый Е.А., Кондратьев В.В. Принципы построения сенсоров и сенсорных сетей // Электросвязь, 2006. № 6. С. 10-15.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Тележкин Владимир Федорович ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск, Россия, доктор технических наук, профессор кафедры инфокоммуникационные технологии Email: [email protected].
Telezhkin Vladimir Fedorovich FSEI HPE «South Ural State University», Chelyabinsk, Russia, doctor of technical sciences, Professor, Department of information and communication technology Email: [email protected].
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
Казимиров Александр Николаевич ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры инфокоммуникационные технологии Email: [email protected].
Kazimirov Aleksandr Nikolaevich FSEI HPE «South Ural State University», Chelyabinsk, Russia, candidate of technical sciences, Associate Professor of information and communication technology Email: [email protected].
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи:: 454080, Челябинск, пр. Ленина,76, кафедра ИКТ, Тележкин В.Ф.
83519002580
