Автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов на базе беспроводной технологии ZIGBEE

     Конечные  узлы не ретранслируют сообщений и поэтому могут переходить в режимы пониженного энергопотребления, что дает им возможность функционировать от батарей до нескольких лет. Конечные узлы общаются со всей сетью через свой «родительский» маршрутизатор. Выбор «родителя» осуществляется автоматически во время образования сети. Если впоследствии «родительский» узел по каким-либо причинам перестанет функционировать, «дочерний» конечный узел найдет себе другой «родительский» маршрутизатор.

     Для передачи сообщения сеть автоматически находит наиболее короткий маршрут с удовлетворительным качеством связи в обоих направлениях. Если с течением времени какой-либо из маршрутизаторов выходит из строя, то сеть автоматически осуществляет поиск нового оптимального маршрута.

     Важной  особенностью технологии ZigBee для систем коммерческого учета является возможность защиты передаваемых данных. Шифрование данных осуществляется при помощи алгоритма AES-128 с симметричным ключом, как во время передачи данных в сети, так и во время ее образования. Предварительное занесение ключей шифрования во все узлы позволяет, с одной стороны, не допустить в сеть посторонние устройства и подменить передаваемые данные, а с другой стороны – делает невозможной расшифровку информации, полученной путем прослушивания эфира.

     Способность находить оптимальный маршрут и функционировать при выходе из строя отдельных узлов, малое энергопотребление, возможность защиты информации – важнейшие достоинства ZigBee-сети, позволяющие построить недорогую и надежную систему сбора данных с конечными устройствами, питающимися от батарей.

     С мая 2007 применение технологии ZigBee на территории России возможно без оформления лицензий на частоту 2,4 ГГц.

     Так как ZigBee является международным стандартом беспроводной связи, то он обеспечивает масштабируемость и надежность, необходимую  для инфраструктуры, как того требуют  интеллектуальные энергосистемы.

     Таким образом, оптимальной технологией для реализации АСКУЭ является  беспроводная технология ZigBee.

     Преимущества  такого подхода:

• это беспроводное  решение  направлено  на  существенное (до  80%)  сокращение расходов конечного пользователя  на  развертывание  системы, времени  монтажа  системы (не требуется прокладка проводов),  работ по  техническому  обслуживанию   и   эксплуатации  автоматизированной  системы (не требуется искать места обрыва и потери контакта);
• низкое энергопотребление – длительный (год и более) срок автономной работы;
• безопасность;
• Применение технологии ZigBee на территории России возможно без оформления лицензий на частоту 2,4 ГГц;
• возможность наращивания системы;
• надежность и способность к самоорганизации;
• большое количество поддерживаемых узлов (элементов системы);
• обеспечение взаимозаменяемости сетей и узлов;
• независимость от производителя оборудования;
• создается общая инфраструктура для других сервисов в многоэтажном доме, в одной сети могут находиться сотни устройств.
• за счёт маршрутизации повышается дальность и надёжность связи между элементами системы;
• возможности использования в труднодоступных для кабеля местах или там, где его прокладка невозможна или нерентабельна;
• легко реализуется единая информационная структура для всех систем в доме.

 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Аппаратные решения для построения сетей ZigBee 

     В свободной продаже имеется большое  количество серийных изделий, использующих ZigBee-технологию [8].

     Так, американская компания Control4 выпустила  целый комплекс беспроводных управляющих устройств, в частности набор беспроводных переключателей и диммеров для управления освещением.

     Кроме широких возможностей по реализации профилей для построения беспроводной сети, производители ZigBее устройств  наделяют свою продукцию довольно большим количеством аппаратных интерфейсов. На сегодняшний день на рынке доступны ZigBee устройства, в которых реализованы такие интерфейсы как UART, SPI, GPIO и ADC/DAC. Одним из примеров таких устройств являются модули производства компании Cirronet, у которых есть следующие аппаратные интерфейсы 1 SPI, 1 UART, 6 GPIO и 3 АЦП. Эти модули выполнены на базе трансиверов от Chipcon СС2420 и контроллера ATmega128 компании Atmel.

     Помимо  модульных платформ, некоторые производители  представляют интегральные решения System-on-Chip (SoC). SoC представляет из себя сборку в которой rf-часть и контроллер объединены на одном чипе. Ярким представителем семейства SoC является контроллер от Jennic – JN5121 (рисунок 2.2), обладающий следующими характеристиками:

• Размер: 8x8 мм;
• 32-битный RISC процессор с частотой 32 МГц;
• 4 АЦП, 4 ЦАП;
• 2 Компаратора;
• 2*UART;
• 21 GPIO (цифровые I/O общего назначения);
• Температурный диапазон: -40..+85ºС;
• Выходная мощность rf-части 1 мВт.

.

Рисунок 2.2 – Схема модуля на базе JN5121 

     Мировой производитель компания Ember – один из основателей альянса ZigBee – выпускает приемопередатчики, программное обеспечение и отладочные средства для реализации ZigBee-устройств. Сегодня она предлогает разработчикам ZigBee-устройств кристалл EM250, который объединяет приемопередатчик ZigBee и 16-ти разрядный микроконтроллер.

     Для увеличения зоны охвата в кристалл EM250 встроены дополнительный малошумящий  усилитель во входной цепи приемника  и усилитель мощности в цепи передатчика. Это позволило увеличить динамический диапазон радиосигналов на 9 дБ по сравнению с предшествующим приемопередатчиком Ember EM2420.

     Кристалл EM250 компании Ember интересен также  тем, что в «спящем» режиме при  токе потребления 1 мкА продолжает работать внутренний таймер, способный время  от времени вводить кристалл в рабочий режим для прослушивания радиоканала.

     Встроенный 16-ти разрядный микроконтроллер EM250 содержит достаточные объемы постоянной и оперативной памяти для организации  буферов передаваемых сообщений  и хранения программного кода приложения. Встроенные 12-ти разрядный сигма-дельта АЦП, регулятор напряжения, монитор батареи питания и ВЧ-переключатель сигнала антенны позволяют минимизировать количество внешних компонентов и создавать на базе нового кристалла EM250 миниатюрные, малопотребляющие беспроводные системы контроля и управления.

     Успех разработки ZigBee-приложения зависит  также от используемого программного обеспечения. Поэтому компания Ember уделяет  большое внимание разработке встраиваемых библиотек, реализующих стек протоколов ZigBee.

     Библиотеки EmberZNet сертифицированы на соответствие спецификации ZigBee 1.0 и уже сегодня  поддерживают также создание ячеистых сетей, требования к которым изложены в спецификации ZigBee 1.1.

     Кроме того, компания Ember предлагает мощные программно-аппаратные отладочные средства, позволяющие анализировать трафик беспроводной сети во время разработки приложения.

     Использование микросхем приемопередатчиков позволяет  получить изделия с наименьшей себестоимостью.

     В случаях, когда проект выполняется не для массового использования, можно ориентироваться на готовые радиомодули, которые имеют более высокую стоимость, чем микросхемы, но избавляют разработчика от необходимости проектировать высокочастотные цепи и писать программное обеспечение. Примером таких устройств являются ZigBee-модемы ETRX1 английской компании Telegesis.

     ZigBee-модем  ETRX1 позволяет значительно упростить  разработку беспроводной сети [9]. Программное обеспечение модемов ETRX1 выполнено на основе встраиваемых библиотек Ember, реализующих стек протоколов ZigBee, и расширено дополнительным уровнем AT-команд, обеспечивающих простое управление модемом по последовательному каналу.

     ZigBee-модем  ETRX1 имеет компактные размеры  (37,75 мм на 20,45 мм), имеет восемь цифровых линий ввода/вывода и два аналоговых входа.

     Конфигурация  модемов осуществляется при помощи программирования внутренних энергонезависимых  регистров, доступ к которым может  осуществляться как по последовательному  каналу при помощи AT-команд, так и  по радиоканалу.

     Возможность дистанционного управления и опроса модема ETRX1 позволяет использовать его без какого-либо дополнительного  управляющего микроконтроллера.

     ZigBee-модемы ETRX1 самостоятельно образуют сеть  и поддерживают ретрансляцию  сообщений. Работа с ними столь проста, что небольшую беспроводную систему сбора данных можно смонтировать за считанные минуты.

     Таким образом, сегодня российским разработчикам  предоставлены все необходимые  аппаратные и программные средства для разработки ZigBee-приложений. Отладочные средства реализации сетей ZigBee доступны по цене, микросхемы приемопередатчиков можно приобретать по цене 3 доллара, для мелкосерийных разработок возможно использование ZigBee-модемов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4 Разработка автоматизированной система контроля и учёта   

         энергоресурсов

     4.1 Элементная база для реализации беспроводной системы 

     В качестве элементной базы для реализации беспроводной системы управления освещением были выбраны недорогие модемы ETRX2 компании Telegesis [10] (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – ZigBee-модем ETRX2 

     Компания Telegesis специализируется на разработке устройств для сетей ZigBee. Инженеры Telegesis первыми разработали для  своего радиомодуля систему AT-команд, предложив тем самым взглянуть  на него как на ZigBee-модем. Сегодня  встроенное программное обеспечение модемов ETRX2, с одной стороны, является тщательно продуманным и мощным программным продуктом, а с другой — обеспечивает для пользователя максимальную простоту и удобство при реализации прикладной программы. Встроенное программное обеспечение модулей ETRX2 обеспечивает реализацию протоколов канального и сетевого уровней, поддерживает выполнение основных функций меш-сети, таких как ретрансляция данных, самообразование и самовосстановление беспроводной сети, поиск оптимального маршрута [10].

     Одним из преимуществ модемов ETRX2 является то, что в одном конструктиве компания Telegesis предлагает два варианта исполнения: бюджетный базовый вариант ETRX2 и  модем ETRX2-PA с дополнительным усилителем мощности 100 мВт. Это позволяет оптимизировать беспроводную систему по цене. Модемы без усилителя на открытом пространстве имеют радиус действия до 300 м, а в жилом здании дают возможность передать сообщение из квартиры с металлической дверью на лестничную площадку. Модемы ETRX2-PA на открытом пространстве позволяют передавать данные на расстояния до 800 м, а в здании в зависимости от типа перекрытий их дальность действия составляет 3-5 этажей [10]. Технические характеристики модемов представлены в таблице 4.1 и в приложении Б. 

Таблица 4.1 – Характеристики модемов ZigBee компании Telegesis

 

     Конфигурирование  работы модемов осуществляется при  помощи программирования их внутренних регистров. Все модемы одинаковы, и каждому из них можно задать роль координатора, маршрутизатора или конечного узла. Система AT-команд модемов ETRX2 вводит такое дополнительное понятие, как центральный узел сбора данных в сети — Sink. Центральный узел сети назначается путем программирования соответствующего конфигурационного регистра. Таким узлом может стать координатор или любой из маршрутизаторов. Важным достоинством модемов ETRX2 является наличие спящего режима с малым током потребления 1 мкА, при котором продолжает работать таймер, предназначенный для того, чтобы в заданное время вернуть модем из энергосберегающего режима в рабочий. Это дает возможность ZigBee-устройству работать без смены батарей несколько лет.

     Для адресации устройств в сети используется уникальный 64-битный идентификатор, который заносится в энергонезависимую память модемов ETRX2 на этапе производства. Наличие встроенного и проверенного производителем программного обеспечения, реализующего все основные операции в сети ZigBee, значительно сокращает время разработки системы и устраняет необходимость приобретать дорогостоящие отладочные средства.

     Система AT-команд поддерживает богатый набор  функций, таких как образование  и присоединение к беспроводной сети, мониторинг сети, передача и прием сообщений по радиоканалу, ввод/вывод цифровой информации, ввод аналоговых сигналов, работа с таймерами и последовательным интерфейсом. При этом такие сетевые задачи, как ретрансляция сообщений и выбор оптимального маршрута, поддерживаются модемами ETRX2 автоматически. Таким образом, используя модемы ETRX2, разработчик может сосредоточиться на решении задач своего приложения, а сеть ZigBee рассматривать как интерфейс для передачи данных, не требующий для своей организации больших усилий.