View
5
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Министерство образования и науки Украины
Национальный аэрокосмический университет
им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»
А.А. Коваленко, В.В. Лукашенко, А.П. Плахтеев,
П.А. Плахтеев, А.А. Орехов, В.С. Харченко, А.А. Шамраев,
Е.О. Шамраева
Зеленые сенсорные сети и микроконтроллерные
системы. Методы и средства исследования и
разработки
Тренинг
Под редакцией В.С. Харченко
Green Sensor Networks and Microcontroller
Systems. Techniques and Tools
of Research and Development
Training
Проект
530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR
Green Computing & Communication
2016
УДК004.9+681.5 З-48 Викладено матеріали тренінг-курсу LLL2 "Techniques and Tools for Green
Industry Systems and Networks", розробленого в рамках проекту TEMPUS «Green Computing & Communication» (530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).
Курс базується на методичних та інструментальних засобах, призначених для оволодіння практичними навичками розроблення та дослідження енергоефективних мікроконтролерних систем, сенсорних мереж, а також мереж, толерантних до затримок (Delay Tolerant Network). Надано опис лабораторних робіт і тренінгів, які виконуються з використанням спеціальних програмно- апаратних засобів.
Для інженерів, які займаються розробленням та впровадженням енергоефективних мікропроцесорних систем і мереж, магістрів і аспірантів університетів, які навчаються за напрямами комп'ютерних наук, комп'ютерної та програмної інженерії, при вивченні та дослідженні методів і засобів зеленої ІТ- інженерії.
Рецензенты: Мохор Владимир Владимирович, директор Института проблем
моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова Национальной Академии наук Украины, доктор технических наук, профессор; Elena Zaitseva, Dr, Professor, Faculty of Management Science and Informatics University of Žilina, Slovakia.
З-48 Зеленые сенсорные сети и микроконтроллерные системы. Методы и средства исследования и разработки Тренинг. / Коваленко А.А., Лукашенко В.В., Плахтеев А.П., Плахтеев П.А., Орехов А.А., Харченко В.С., Шамраев А.А., Шамраева Е.О. / Под ред. Харченко В.С. – Министерство образования и науки Украины, Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского «ХАИ», Харьков. – 2016. – 160 с.
ISBN 978-966-662-718-9 Изложены материалы тренинг-курса LLL2 «Techniques and Tools for Green
Industry Systems and Networks», разработанного в рамках проекта TEMPUS "Green Computing & Communication" (530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).
Курс базируется на методических и инструментальных средствах, направленных на овладение практическими навыками разработки и исследования энергоеффективных микроконтроллерных систем, сенсорних сетей, а также сетей, толерантных к задержкам (Delay Tolerant Network). Представлено описание лабораторных работ и тренингов, которые выполняются с использованием специальных программно-аппаратных средств.
Для инженеров, которые занимаются разработкой и внедрением энергоэффективных микропроцессорных систем и сетей, магистров и аспирантов университетов, которые учатся по направлениям компьютерных наук, компьютерной и программной инженерии, при изучении и исследовании методов и средств зеленой ИТ-инженерии.
Библ. – 50 наименований, рисунков – 61, таблиц – 20. Утверждено на заседании ученого совета Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ» (протокол №1 от 2 сентября 2015 г).
ISBN 978-966-662-718-9
УДК004.9+681.5 © Коваленко А.А., Лукашенко В.В., Плахтеев А.П., Плахтеев П.А., Орехов А.А.,
Харченко В.С., Шамраев А.А., Шамраева Е.О. © Национальный аэрокосмический университет имени Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2016
Список сокращений
3
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
КНД коэффициент направленного действия
КУ коэффициент усиления
КмУ коммутационный узел
НСМ – наземные системы мониторинга
ПК – персональный компьютер
СС – сенсорные сети
ФАПЧ фазовая автоподстройка частоты DTN – Delay Tolerant Network (сети, нечувствительные к задержкам) ACLK – Auxiliary Clock (вспомогательное тактирование)
ADC – Analog-to-Digital Converter (аналого-цифровой
преобразователь, АЦП);
DAC – Digital-to-Analog Converter (цифро-аналоговый
преобразователь, ЦАП);
DCO – Digitally Controlled Oscillator (осциллятор с цифровым
управлением);
GIE – General Interrupt Enable (общее разрешение прерываний);
ISR – Interrupt Service Routine (процедура обработки прерывания);
LPM – Low-Power Mode (режим пониженного энергопотребления);
MCLK – Master Clock (главное тактирование);
NMI – Non-Maskable Interrupt (немаскируемое прерывание);
PC – Program Counter (программный счетчик);
SFR – Special Function Register (регистр специального назначения);
SMCLK – Sub-System Master Clock (подсистема главного
тактирования);
SP – Stack Pointer (указатель стека);
SR – Status Register (регистр статуса);
WDT – Watchdog Timer (сторожевой таймер)
Введение
4
ВВЕДЕНИЕ
Мотивация. Технологии зеленой ИТ-инженерии реализуются
в индустриальных системах, основанных на использовании
микроконтроллеров, системах мониторинга и коммуникациях,
базирующихся на сенсорных сетях и традиционных сетевых
решениях.
В индустриальных системах микроконтроллеры выполняют
функции контроля и управления объектами различной природы.
Такие объекты могут быть энергочувствительными или
энергокритичными. В любом случае реализация режимов
управления с минимизацией энергозатрат является важной
практической задачей. При этом микрокотроллеры и
микроконтроллерные системы сами являются объектами
энергоптимизации в случае, когда они встраиваются в мобильные
и/или автономные решения.
Для сенсорных сетей энергосбережение является одним из
ключевых принципов, поскольку узлы таких систем работают, как
правило, автономно и чувствительны к энергоемкости источников
питания и к их обслуживанию, связанному с заменой или
подзарядкой этих источников. Такие проблемы, в полной мере,
касаются и систем мониторинга, построенных с использованием
сенсорных сетевых технологий, в частности, систем мониторинга
лесных ресурсов.
Не менее важны и интересны для теории и практики вопросы
обеспечения энергоэффективности компьютерных сетей, которые
могут толерировать задержки в передаче данных. В этом случае
необходимо искать компромисс между энергетическими,
надежностными и временными характеристиками.
Указанные направления могут быть объединены в одном блоке
практических задач зеленой ИТ-инженерии. При этом
современному инженеру и исследователю в области
информационных технологий важно овладеть методиками и
средствами, способными проводить измерение, анализ
энергопотребления программно-аппаратных и сетевых решений,
осуществлять разработку и конфигурирование энергоэффективных
систем и сетей.
Введение
5
Цель и структура тренинг-курса. В пособии изложены
материалы тренинг-курса LLL2 "Techniques and Tools for Green
Industry Systems and Networks", разработанного для магистрантов,
аспирантов и инженеров в рамках проекта TEMPUS «Green
Computing & Communication» (530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-
TEMPUS-JPCR).
Курс базируется на методических и инструментальных
средствах, направленных на овладение практическими навыками
разработки и исследования энергоэффективных
микроконтроллерных систем, сенсорных сетей, а также сетей,
толерантных к задержкам (Delay Tolerant Network). Курс состоит
из четырех модулей, которым соответствуют разделы пособия.
Первый из них посвящен вопросам оценивания, анализа и
управления энергопотреблением сенсорных сетей, в частности, их
узлов. Тренинг этой части курса направлен на получение
практических навыков использования соответствующих
инструментальных средств, выбора настроек и т.д.
Во втором разделе освещены методики разработки систем
мониторинга с использованием энергоэффективных сенсорных
технологий. При этом описываются алгоритмы работы с
реальными средствами проектирования таких систем.
Третий раздел базируется на практикумах, направленных на
получение навыков расчета и выбора характеристик сетей,
толерантных к задержкам.
В четвертом разделе описываются методики и средства,
позволяющие минимизировать энергопотребление
индустриальной микроконтроллерной системы управления и
разработать зеленое программное обеспечение для такой системы.
Для всех модулей курса представлено описание лабораторных
работ и тренингов, которые выполняются с использованием
предлагаемых программно-аппаратных средств. К каждому
занятию тренинг-курса даны контрольные вопросы и задания,
представлен список рекомендуемой литературы.
В приложении приведена учебная программа курса.
Авторский коллектив. Пособие подготовлено сотрудниками
и соискателями кафедры компьютерных систем и сетей
Национального аэрокосмического университета им. Н.Е.
Жуковского "ХАИ" к.т.н., доцентом Плахтеевым А.П., м.н.с.
Введение
6
Плахтеевым П.А (раздел 1) и к.т.н., профессором Ореховым А.А.
(раздел 2), а также к.т.н., доцентом Лукашенко В.В. (раздел 3)
(Национальный авиационный университет, кафедра
компьютерных систем и сетей). Раздел 4 подготовлен к.т.н.,
доцентами Шамраев А.А., Шамраева Е.О. (Белгородский
государственный национальный исследовательский университет
«НИУ БелГУ», кафедра информационных систем), к.т.н., доцентом
Коваленко А.А. (НТЦ анализа и исследования безопасности
инфраструктур, Научно-производственное предприятие "Радий").
Д.т.н., профессор Харченко В.С. (ХАИ) написал введение, принял
участие в подготовке разделов 2,3, выполнил научное
редактирование книги и разработал программу курса.
Благодарности. Авторы выражают благодарность
рецензентам, коллегам по проекту, сотрудникам кафедр
университетов, академических институтов и индустриальных
партнеров за ценную информацию, методическую помощь и
конструктивные предложения, которые высказывались в процессе
обсуждения программы курса и материалов пособия.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
7
1. УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ УЗЛОВ
СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ
Цель и задачи тренинга
Целью тренинга является изучение и практическое
применение методов и программно-аппаратных средств
повышения энергоэффективности узлов беспроводной сенсорной
сети на основе микроконтроллеров с архитектурой ARM и AVR.
Учебные задачи:
изучение режимов энергосбережения AVR
микроконтроллеров узлов сенсорных сетей;
изучение способов оптимизации энергопотребления узлов
сенсорной сети на основе управления тактовой частотой ARM
микроконтроллеров.
Практические задачи:
получение навыков программирования режимов
энергосбережения AVR микроконтроллера с использованием IDE
Arduino;
получение навыков программирования частоты
тактирования ARM микроконтроллера.
Подготовка к тренингу
При подготовке необходимо:
уяснить цели и задачи работы;
изучить теоретический материал, приведенный в данном
руководстве, а также в работах [1-6];
установить инструментальные средства IDE Arduino,
Proteus, IAR Embedded Workbench ARM на компьютер;
познакомиться с примерами программ (см. приложения
А,Б).
Далее излагается теоретический материал, описываются
используемые программно-аппаратные средства и программа
практикума.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
8
1.1 Способы снижения энергопотребления для
микроконтроллеров узлов сенсорных сетей
Узлы сенсорных сетей обычно строятся на основе микрокон-
троллеров, к соотношению энергопотребление/производительность
которых предъявляются повышенные требования. Также в состав
узлов входят энергоэффективные датчики и коммуникационные
средства, автономные источники питания или сбора энергии из
окружающей среды. Уровень энергопотребления определяет время
автономной работы узлов, увеличение которого является
актуальной задачей при построении сенсорных сетей. Для
снижения энергопотребления микроконтроллеров используются
несколько подходов:
1. Снижение напряжения питания.
2. Снижение тактовой частоты.
3. Отключение неактивных устройств.
4. Периодический перевод в режим сна ядра и периферийных
устройств.
Широкое распространение получили 8-разрядные AVR
микроконтроллеры и производительные 32-разрядные ARM
микроконтроллеры, у которых используются различные
механизмы реализации указанных подходов к управлению
энергопотреблением.
1.2 Управление энергопотреблением 8-разрядных
микроконтроллеров AVR серии ATmega
Пример эффективности использования режима сна для
ATmega88А описан в Application Note AVR4013 [1]. В
экспериментах в качестве источника питания МК использовался
конденсатор. Каждую секунду МК выполнял цикл АЦП,
симулировал 1000 циклов обработки, преобразовывал данные в
строку ASCII и результат передавал через USART. Исследована
продолжительность работы для 5 уровней оптимизации (рис. 1.1):
1. Без оптимизации.
2. Включение подтягивающих резисторов на неиспользован-
ных контактах ввода / вывода и отключение неиспользуемых мо-
дулей.
3. Деление тактовой частоты 8 MHz до 2MHz.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
9
4. Использование экономии энергии в режим сна во время
ожидания следующий передачи данных.
5. Калибровка генератора для включения более высокой
скорости передачи данных.
6 9
198
217
40
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5
Tim
e,
se
c
Рис.1.1. Зависимость продолжительности расходования энергии
ATmega88А от уровня оптимизации энергопотребления
В этом примере время работы от конденсатора удалось
увеличить в 36 раз, что свидетельствует об эффективности
снижения тактовой частоты и минимизации времени нахождения
микроконтроллера в активном состоянии. В узлах сенсорных
сетей, критичных к уровню энергопотребления микроконтроллеры
находятся в режимах сна более 99% времени.
Изменение во времени потребляемой мощности (тока) –
профиль энергопотребления микроконтроллерного устройства,
управляющего некоторой нагрузкой может быть снято с помощью
осциллографа (рис. 1.2).
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
10
Рис. 1.2. Профиль энергопотребления
микроконтроллерного устройства
Помимо энергопотребления МК в активном режиме
(фрагменты 1), значительная доля энергии расходуется нагрузкой
(фрагменты 2), которая отключается в режиме сна (фрагмент 3).
Микроконтроллеры ATmegaxx8 имеют 6 режимов
энергосбережения [2, 3]:
1. Idle,
2. ADC Noise Reduction,
3. Power-save,
4. Power-down,
5. Standby,
6. Extended Standby.
Эти режимы отличаются составом оборудования, которые
сохраняют активное состояние, набором сигналов и временем
возврата в рабочий режим. Ключевую роль в выборе источника
тактирования и распределении сигналов синхронизации между
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
11
устройствами играет AVR Clock Control Unit (рис. 1.3). Устройство
также содержит средства сброса и сторожевой таймер.
Рис. 1.3. Распределение сигналов синхронизации в AVR
микроконтроллере
Все оборудование МК разделено на 5 групп с общими
источниками тактирования: асинхронные таймеры/счетчики
(clkASY), модули ввода/вывода общего назначения (clkI/O), АЦП
(clkADC), ядро и оперативное запоминающее устройство (clkCPU),
Flash и EEPROM (clkFLASH). Различие между режимами
энергосбережения иллюстрируется таблицей 1.1.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
12
Таблица 1.1. Распределение сигналов синхронизации и
сигналов пробуждения
Примечания:
1. Используется только с внешним резонатором или генератором.
2. Если ТС2 работает в асинхронном режиме.
3. Для источников INT0, INT1 прерывания только по уровню.
Уровень энергопотребления микроконтроллеров
ATmega48PA/88PA/168PA/328P на частоте 1 МГц, напряжении
питания 1.8В и температуре 25 °С составляет [3]:
- 0.2 ма (Active Mode);
- 0.75 мка (Power-save Mode);
- 0.1 мка (Power-down Mode).
Выбор источника тактирования при конфигурации
микроконтроллера, чередование режимов работы позволяет
оптимизировать энергопотребление узлов сенсорных сетей с
автономным питанием для достижения требуемого времени
жизни.
Переход в режим сна предполагает выполнение нескольких
шагов и условий:
1. Разрешить прерывания!
2. Настроить источники прерываний!
3. Обеспечить удержание уровня до момента полного
просыпания процессора
4. Засыпание процессора никак не изменяет состояние ног и
состояние нагрузки.
5. Установить режимы работы Watchdog Timer.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
13
6. Переход в режим сна возможен из главной программы, если
все прерывания обработаны.
Источники тактирования микроконтроллеров AVR ATtiny и
ATmega выбираются установкой конфигурационных Fuse bit и не
могут изменяться программно. Исключение составляет серия
микроконтроллеров ATxmega.
1.3 Отладочная плата для микроконтроллера ATmega328P
Существует множество отладочных плат для AVR
микроконтроллеров, начиная с универсальных STK300, STK500,
STK600 производства Atmel до любительских конструкций и
устройств на макетных платах.
В последние годы набирает популярность экосистема Arduino,
включающая конструктивы аппаратных средств, среды разработки
и средства отладки устройств на различных микроконтроллерах.
Одной из самых простых плат является Arduino mini на основе
микроконтроллера ATmega328P и Arduino micro на основе
ATmega32U4 [http://www.arduino.cc ].
Arduino mini (рис. 1.4) содержит контакты, на которые
выведены сигналы микроконтроллера и может быть установлена
на макетной плате для удобства подключения внешних элементов
при проведении экспериментов. В частности, может быть
установлен монитор тока питания.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
14
Ри
с. 1.4
. П
лат
а A
rduin
o m
ini
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
15
Arduino mini не имеет встроенного преобразователя USB/UART,
поэтому используется внешний преобразователь (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Подключение Arduino mini к порту USB для
программирования и последовательного обмена
Для программирования плат используется IDE Arduino с С-
подобным языком, GCC Inline Assembly и многочисленные
библиотеки.
Библиотека <avr/sleep.h>
[http://playground.arduino.cc/Learning/ArduinoSleepCode] и примеры
использования упрощают разработку программ, использующих
режимы энергосбережения:
SLEEP_MODE_IDLE
SLEEP_MODE_ADC
SLEEP_MODE_PWR_SAVE
SLEEP_MODE_STANDBY
SLEEP_MODE_PWR_DOWN.
Использование указанных плат и соответствующих
программных средств позволяет оценить вклад исключительно
микроконтроллеров в энергопотребление сенсорных узлов и
использовать эти данные для проектирования энергоэффективных
сенсорных сетей.
1.4 Управление тактовой частотой 32-разрядного ARM
микроконтроллера LPC2134
Программное управление частотой тактирования реализовано
в ARM микроконтроллерах, даже с архитектурой ARM7TDMI,
таких, как LPC2134 производства NXP [5,6]. В составе LPC2134
имеется программно управляемый блок фазовой автоподстройки
частоты (ФАПЧ, PLL- Phase Loop Lock), который формирует сетку
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
16
частот CCLK тактирования ядра из одной входной частоты FOSC
(рис.1.6).
Рис. 1.6. Формирование частот синхронизации ядра и
периферийной шины LPC2134
Для периферийных устройств тактирование ведется от шины
APB, частота FPCLK которой формируется делителем частоты (APB
Divider) ядра. Управление тактовой частотой периферийной шины
выполняется разрядами 1:0 регистра APBDIV (APB Divider
register), которые задают коэффициент деления FCCLK:
00 - FCCLK/4,
01 - FCCLK/1,
10 - FCCLK/2.
Для выбора частоты периферийной шины без деления следует
использовать оператор:
VPBDIV = 0x01;
Коэффициент множителя ФАПЧ MSEL и коэффициент
деления программируемого делителя PSEL позволяет выбрать
частоту FCCLK синхронизации ядра LPC2134:
FCCLK = FOSC × (MSEL + 1),
FCCLK ≤ 60 MHz,
FCCO = FCCLK × 2PSEL+1,
10 MHz ≤ FOSC ≤ 25 MHz
156 MHz ≤ FCCО ≤ 320 MHz,
0 ≤ MSEL ≤ 31,
0 ≤ PSEL ≤ 3.
Если FOSC = 14.7456 MHz, то доступна сетка частот FCCLK
{14.7456, 29.4912, 44.2368, 58,9824}, MHz. Анализ возможных
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
17
комбинаций <MSEL, PSEL> приведен в таблице 1.2. Выделены
комбинации, удовлетворяющие приведенным выше условиям.
Таблица 1.2. Расчетные значения
коэффициентов настройки ФАПЧ
На рис. 1.7 приведено размещение PSEL и MSEL в разрядах
регистра PLLCFG. В тех же разрядах, но в регистре состояния
ФАПЧ PLLSTAT хранятся текущие значения для этих
коэффициентов.
7 6 5 4 3 2 1 0
- PSEL.1 PSEL.0 MSEL.4 MSEL.3 MSEL.2 MSEL.1 MSEL.0
Рис. 1.7. Регистр конфигурации ФАПЧ PLLCFG
Так, для установки частоты 44.2368 МГц необходимо
выполнить:
PLL0CFG = 0x22; // MSEL=2, PSEL=1
Состояние специального бита PLOCK=1 в PLLSTAT.10
свидетельствует, что в ФАПЧ не закончена установка частоты,
заданной PSEL и MSEL. Только при PLOCK=0 разрешается
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
18
выдача выходных сигналов ФАПЧ. Это условие проверяется
программно:
while( !( PLL0STAT & PLOCK ));
Случайное изменение частоты синхронизации вследствие
сбоя в программе или ошибки может нарушить работу
микроконтроллерного устройства. Поэтому предусмотрено
подтверждение любых изменений параметров ФАПЧ
последовательной записью специальных кодов в регистр
PLL0FEED:
PLL0FEED = 0xAA;
PLL0FEED = 0x55;
1.5 Управление энергосбережением LPC2134
Управление энергосбережением выполняется с помощью
регистра управления питанием PCON (Power Control register):
PCON.0 (IDL) - Idle mode control (режим ожидания).
PCON.1 (PD) - Power-down mode control (режим сна).
Power-down mode достигается максимальный уровень
энергосбережения. Выход из режима сна обеспечивается
включенным устройством реакции на внешние прерывания.
В Idle mode останавливается только ядро, что необходимо,
например, при выполнении циклов АЦП. Активные периферийные
устройства продолжают работать.
Включение/отключение периферийных устройств
осуществляется посредством разрядов регистра PCONP (Power
Control for Peripherals register) - PC(AD1, I2C1, AD0, SPI1, RTC,
SPI0, I2C0, PWM0, UART1, UART0, TIM1, TIM0).
При использовании последовательного обмена, скорость
которого связана с частотой тактирования периферийной шины,
изменение частот FCCLK и FPCLK может нарушить взаимодействие с
другими устройствами. Одновременно с изменением частот
следует внести поправки в настройки используемых контроллеров
последовательных интерфейсов.
В последних моделях ARM Cortex M0(M3, M4, M7) расширен
набор режимов энергосбережения и независимого функциони-
рования ядра и периферийных устройств микроконтроллеров. В
многоядерных архитектурах возникает задача управления
активностью и энергопотреблением каждого из ядер.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
19
1.6 Отладочные средства для контроллера LPC2134 NXP
На плате установлены все компоненты необходимые для
быстрого старта, 14.7456 MГц кварцевый резонатор, а на
отдельные разъемы выведены все порты контроллера LPC2134
16/32 bit ARM7TDMI-S™ (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Отладочная плата для контроллера LPC2134
Пользовательский светодиод, подключенный к линии P0.31
контроллера позволяет решать ряд задач без использования
внешних компонентов. В среде моделирования Proteus имеется
модель LPC2134 и примеры на его основе. Схема простейшего
устройства приведена на рис. 1.9а .
C программой Blink led [lpc-h2138-blink_led.zip]
микроконтроллер формирует периодическую последовательность
импульсов управления пользовательским светодиодом через P0.31.
С помощью виртуального осциллографа можно наблюдать
осциллограмму сигнала (рис. 1.9б ).
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
20
а)
б)
Рис. 1.9. Схема устройства на LPC2134 (а) и
осциллограмма сигнала (б)
Модель в Proteus (включая демонстрационные версии)
позволяет использовать различные программы для
микроконтроллера и задавать частоту синхронизации. Для этого в
окне редактирования свойств микроконтроллера указывается путь
к загрузочному файлу *.hex или отладочному файлу *.elf
(рис.1.10).
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
21
Рис. 1.10. Настройка модели микроконтроллера LPC2134
Пример экспериментальных данных измерения частот
выходных импульсов при изменении FCCLK приведены в таблице
1.3. Если частота выходных импульсов является критическим
показателем, то одновременно с изменением частоты следует
внести поправки для задержек, определяющих длительности
импульсов и пауз между ними.
Таблица 1.3. Частоты выходных импульсов
при изменении FCCLK
Разработка программ для ARM микроконтроллеров
выполняется в различных интегрированных средах средах с
использованием языка С, графических языков и пр. Одной из
мощных и универсальных сред разработки программ на языке С
является IAR Embedded Workbench (https://www.iar.com/iar-
embedded-workbench/arm/). Для экспериментов с LPC2134
достаточно возможностей демонстрационных IAR Embedded
Workbench ARM версий 4 и более поздних. Использовались
версии 4.42 и 6.30.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
22
1.7 Программа исследований
В ходе выполнения практикума необходимо:
1. Ознакомиться со способами управления
энергопотреблением AVR и ARM микроконтроллеров.
2. Базируясь на программе, описанной в Приложении А,
построить варианты программ для различных режимов
энергосбережения.
3. С использованием IDE Arduino провести компиляцию
варианта программы, загрузить ее в микроконтроллер.
4. Проверить работу программы. Измерить ток потребления в
режиме сна.
5. Повторить пп.3,4 для различных режимов
энергосбережения. С помощью осциллографа получить профили
энергопотребления.
6. Обосновать и выбрать режимы энергосбережения для
построения узлов сенсорной сети.
7. Ознакомиться с программой управления частотой
тактирования ARM микроконтроллера LPC2134 (Приложение Б)
на виртуальной модели в среде Proteus.
8. C использованием отладочной платы с загруженной
программой и осциллографа измерить частоты выходных
импульсов и получить профиль энергопотребления.
9. Выбрать вариант изменения частоты тактирования
микроконтроллера при выполнении типовых задач узла сенсорной
сети.
10. Составить отчет о процесс исследования.
11. Сделать выводы по работе.
Требования к содержанию аналитического отчета
Отчет должен содержать:
титульный лист;
цель и программу проведения исследований;
схемы стендов;
результаты измерения энергопотребления;
результаты построения профилей энергопотребления; выводы по работе.
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
23
Контрольные вопросы и задания
1. Как частота тактирования влияет на энергопотребление
микроконтроллера?
2. Какие способы энергосбережения вы знаете?
3. Как связаны частота тактирования и напряжение питания
микроконтроллера?
4. Сформулируйте задачу управления частотой тактирования
микроконтроллера.
5. Перечислите группы внутренних устройств
микроконтроллера с общим тактированием.
6. Что понимается под энергоэффективностью узла
сенсорной сети?
7. Как выбирается частота тактирования AVR
микроконтроллера?
8. Перечислите основные характеристики микроконтроллера
ATmega328P.
9. Приведите примеры плат, где используется ATmega328P.
10. Каковы особенности использования микроконтроллеров в
узлах сенсорных сетей с автономным питанием?
11. Чем определяется «время жизни» узлов сенсорной сети?
12. Какой способ даем максимальный выигрыш в
энергосбережении?
13. Как выполняется перевод микроконтроллера в режим
«сна»?
14. Как выполняется вывод микроконтроллера из режима
«сна»?
15. Если FOSC =20 МГц, то какие частоты тактирования
LPC2134 можно получить?
16. Назовите порядок установки частоты тактирования с
использованием ФАПЧ.
17. Приведите примеры компаний-разработчиков средств
разработки программного обеспечения для AVR микроконт-
роллеров.
18. Перечислите порядок подготовки и загрузки программы в
IDE Arduino.
19. Чем ограничивается максимальная тактовая частота
LPC2134?
1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей
24
20. Какие параметры MSEL, PSEL нужно установить, чтобы
получить частоту тактирования LPC2134 40 МГц при FOSC =10
МГц?
21. Каким образом можно получить профиль
энергопотребления узла сенсорной сети?
Литература
1. AVR4013: picoPower Basics -
http://www.atmel.com/Images/doc8349.pdf
2. А.В. Евстифеев. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и
Mega фирмы Atmel. - М: Додэка-ХХI.-2004.- 560c.
3. Atmel 8-bit microcontroller with 4/8/16/32Kbytes in-system
programmable Flash. - http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-
avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-
328p_datasheet_complete.pdf
4. Тревор Мартин. Микроконтроллеры ARM7. Семейство
LPC2000 компании Philips. Вводный курс.- М: Додэка-ХХI.-2006.-
240c.
5. UM10120. LPC2131/2/4/6/8 User manual. Rev. 4-23, April
2012. - www.nxp.com/documents/user_manual/UM10120.pdf
6. http://olimex.com/dev/soft/arm/LPC/lpc-h2138-blink_led.zip
7. Amirthavarshini L.J et al. Wireless Sensor Networks in Green
Cloud Computing// International Journal of Scientific & Engineering
Research, Volume 6, Issue 10, October 2015
http://www.ijser.org/researchpaper%5CWireless-Sensor-Networks-in-
Green-Cloud-Computing.pdf
8. Smart Sensor Networks Technologies and Applications for
Green Growth, OECD, 2009 http://www.oecd.org/sti/44379113.pdf
9. C. Arun, K. Lakshmi Sudha. Agricultural Management using
Wireless Sensor Networks - A Survey // 2012 2nd International
Conference on Environment Science and Biotechnology, IPCBEE
vol.48 http://www.ipcbee.com/vol48/015-ICESB2012-B20011.pdf
10. Zahra Rezaei, Shima Mobininejad. Energy Saving in Wireless
Sensor Networks // International Journal of Computer Science &
Engineering Survey,Vol.3, No.1, 2012
http://www.airccse.org/journal/ijcses/papers/0212ijcses03
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
25
2. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СЕНСОРНОЙ
СЕТИ ДЛЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ
РЕСУРСОВ
Цель и задачи тренинга
Целью тренинга является изучение и практическое
применение элементов информационной технологии
проектирования инфраструктуры энергоэффективной
беспроводной сенсорной сети.
Учебные задачи:
изучение методики проектирования энергоэффективной
сенсорной сети на основе выбора сетевой технологии, топологии и
оборудования;
изучение метода размещения оборудования системы
мониторинга заданного лесного полигона для обеспечения
требуемой полноты контроля и ограничении на стоимость системы
мониторинга.
Практические задачи:
получение навыков работы с утилитой «Test Polygon»;
проектирование инфраструктуры системы мониторинга
для заданного полигона.
Подготовка к тренингу
При подготовке к тренингу необходимо:
уяснить цели и задачи работы;
изучить теоретический материал, приведенный в данном
руководстве, а также в работах [1-6];
установить инструментальное средство «Test Polygon» на
компьютер;
познакомится с картой лесного ресурса.
Далее излагается теоретический материал, описываются
используемые программно-аппаратные средства и программа
практикума.
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
26
2.1 Применение сенсорных сетей в системах мониторинга
Одной из областей применения сенсорных сетей (СС) является
построение наземных систем мониторинга (НСМ) для
обнаружения лесных пожаров (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Архитектура наземной системы мониторинга
лесных пожаров
Критериями для выбора инфраструктуры НСМ могут быть
полнота контроля, оперативность, надежность и экономическая
эффективность. Современные датчики могут обнаружить и
контролировать разнообразные статические и динамические
параметры, включая температуру, относительную влажность
воздуха, дым, направление и скорость ветра. Сенсорные системы
могут быть полезными не только для обнаружения пожара, но и
для принятия решения по его ликвидации. Если узлы сенсорной
сети имеют данные о собственном пространственном положении,
то можно не только оперативно узнать о начале пожара, но и с
высокой точностью определить, где находится очаг возгорания.
Существующие протоколы сделали узлы с датчиками способными
организовать сеть самостоятельно, без настройки. Архитектура
наземной системы мониторинга лесных пожаров проектируется с
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
27
учетом существующей инфраструктуры оборудования,
особенностей лесных зон, естественных ограничений и пр.
Задачи проектирования НСМ для обнаружения лесных
пожаров сводятся к выбору и/или размещению пожарных вышек и
необходимого оборудования (видеокамер, датчиков, средств
передачи данных и т.д.), чтобы обеспечить требуемую полноту
контроля и минимальную стоимость системы мониторинга. При
этом необходимо учитывать наличие зон повышенной пожарной
опасности и зон ограниченного контроля («запретная зона» на рис.
2.2) систем видеонаблюдения.
Рис. 2.2. Размещение сенсорной сети и решение задачи покрытия
заданной области
2.2 Проектирование энергоэффективной сенсорной сети
2.2.1 Выбор сетевой технологии
Любой стандарт создается для решения своего круга задач. К
примеру, Wi-Fi позволяет связываться на средних расстояниях с
относительно большими скоростями передачи данных (включая
видео и аудиоданные). Технология Wi-Fi ориентирована на
применение для доступа беспроводных устройств в
корпоративные сети и Интернет. Стандарт Bluetooth предназначен
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
28
для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth
существенно проигрывает в скорости Wi-Fi, но он идеален для
передачи потокового аудио или видео. Основная задача, решаемая
при помощи ZigBee - передача небольших объемов данных на
средние расстояния. Специфичность ZigBee состоит в том, что
приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь
минимальное энергопотребление. С IEEE 802.15.4 и ZigBee нельзя
передавать качественное потоковое аудио или видео высокой
четкости, зато можно реализовать сложные схемы мониторинга и
управления практически в любой сфере.
ZigBee/802.15.4 является единственной стандартизированной
беспроводной технологией, нацеленной на приложения
мониторинга и контроля, распределенные сети датчиков, на
развертывание беспроводных информационных сетей для
малопотребляющих систем, используемых в коммерческой,
промышленной и домашней автоматике:
− системы управления освещением (промышленные,
муниципальные и домашние);
− промышленная и домашняя автоматика и управление
(отопление, вентиляция и кондиционирование, вспомогательные
устройства и оборудование);
− потребительская электроника (мультимедиа/развлекательные
системы, портативная электроника), бытовая техника (стиральные
машины, кофеварки, кондиционеры, воздушные фильтры и т.д.);
− периферийное оборудование ПК: мышь, клавиатура,
игровые приставки, джойстики;
− системы сигнализации и безопасности, аварийного
оповещения, системы контроля доступа, бесконтактные ключи,
датчики дыма, газа, движения, пламени, температуры, давления и
т.д.;
− устройства медицинской диагностики пациента,
мониторинг состояния спортсменов, биодатчики и медицинское
оборудование;
− удаленное управление и контроль технологических
процессов, управление движущимися аппаратами, станками,
промышленным оборудованием, холодильными установками,
устройствами дистанционного сбора данных, телеметрия;
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
29
− мониторинг промышленных и портовых активов,
логистика;
− мониторинг систем водо-, газо- и теплоснабжения, системы
управления и инструментального контроля электроэнергии,
системы жилищно-коммунального хозяйства;
− беспроводные устройства обмена информацией,
радиомодемы, радиопередача;
− автомобильная электроника (системы контроля давления в
шинах, противоугонные системы, системы идентификации и
диагностики) и т.д.
Одним из основных преимуществ стандарта ZigBee/802.15.4
является простота установки и обслуживания подобных устройств.
Особенности спецификации ZigBee позволяют с легкостью
развертывать беспроводные персональные сети.
Сравнительные характеристики стандартов семейства 802.15 и
стандарта 802.11b приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Сравнение стандартов семейств 802.15. и 802.11b
Стандарт 802.15.4 Zigbee 802.15.1
Bluetooth
802.11b
Wi-Fi
Приложения Мониторинг,
управление
Голос,
данные
Данные,
видео
Частота, ГГц 0.868 0.915 2.4
Преимущества
Цена,
энергосбережение,
размеры
Цена,
передача
голоса
Скорость,
гибкость
Максимальная
скорость
20
кбит/с
40
кбит/с
250
кбит/с 1 мбит/с
11 мбит/с
и более
Дальность, м 10-100, 1000 100 100
Чувствительность,
дБм (сред). -92 -70 -76
Размер стека, КБ 4-32 >250 >1000
Срок службы
батареи, дней 100-1000 1-7 0,5-1
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
30
2.2.2 Выбор сетевой топологии
Стек ZigBee поддерживает различные конфигурации сети, в
том числе следующие топологии: «точка – точка», «звезда»,
«кластерное дерево (иерархическое)» и «многоячейковая сеть»
(рис. 2.3).
Топология «кластерное дерево» обеспечивает
масштабируемость сети и расширение зоны покрытия, не требуя
дополнительных затрат на инфраструктуру. Сеть типа «кластерное
дерево» может включать в себя несколько подсетей с топологией
«звезда» и устройствами с ограниченными функциями (RFD).
Помимо топологий типа «звезда» и «кластерное дерево»
технология ZigBee поддерживает многоячейковый принцип
построения сетей. При такой топологии любой сетевой узел
может выполнять также функции маршрутизатора для других
устройств в сети. Если возникло препятствие на пути сигнала от
одного узла к другому (бетонная или металлическая преграда и
т.п.), выбирается альтернативный маршрут для передачи данных
адресату. Более плотная концентрация сетевых узлов приводит к
более защищенной, надежной системе. Если один из узлов вышел
отказал, маршрут автоматически определяется через другие узлы
сети, и в результате сеть становится самовосстанавливающейся.
Рис. 2.3. Варианты топологии сетей
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
31
Все узлы многоячейковой сети способны обнаруживать
другие узлы и, распознав друг друга, вычислять оптимальный путь
передачи пакетов, максимальную скорость обмена, частоту
возникновения ошибок и время ожидания. Рассчитанные значения
передаются соседним узлам, а оптимальный путь передачи
трафика выбирается исходя из мощности принимаемых сигналов.
Процессы обнаружения узлов и выбора пути идут постоянно,
поэтому каждый узел поддерживает текущий список соседей и при
изменении их расположения может быстро вычислить наилучший
маршрут. Если какой-то узел изымается из сети (для технического
обслуживания или вследствие сбоя), соседние узлы быстро
изменяют конфигурацию своих таблиц и заново определяют
маршруты потоков трафика. Это свойство самовосстановления и
преодоления сбоев существенно отличает сети с ячеистой
топологией от сетей с жесткой архитектурой.
Особенности многоячейковых сетей:
создание зон сплошного информационного покрытия
большой площади;
масштабируемость сети (увеличение площади зоны
покрытия и плотности информационного обеспечения) в
режиме самоорганизации;
использование беспроводных транспортных каналов для
связи точек доступа в режиме «каждый с каждым»;
устойчивость сети к потере отдельных элементов.
Критерии выбора оптимальных путей в Mesh-сети:
длина пути (количество шагов);
надежность;
задержка;
пропускная способность;
загрузка;
стоимость передачи трафика.
Подытоживая все вышесказанное, можно прийти к выводу,
что описанная выше топология подходит в качестве топологии
построения беспроводной сенсорной сети системы мониторинга
лесных ресурсов. Так как сеть будет состоять из большого
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
32
количества узлов, то данная топология является наиболее
подходящей по следующим признакам:
– асинхронность передачи данных;
– отличная масштабируемость;
– высокая надежность;
– низкое энергопотребление;
– высокая пропускная способность;
– самоорганизация.
2.2.3 Выбор сетевого оборудования
Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это
небольшие платы (2...5 кв. см.), на которых установлен чип
трансивера, управляющий микроконтроллер и необходимые
дискретные элементы.
Рассмотрим продукцию известных производителей компаний
Jennic, Texas Instruments (Chipcon) и DIGI. Рассмотрим
технические характеристики и достоинства основных продуктов
каждого производителя.
Таблица 2.2. Технические характеристики модуля
JN5121-Z01-M01 фирмы Jennic
Параметры Значение
Диапазон частот, ГГц 2,4
Скорость передачи данных, Кбит/с 250
Рабочее напряжение, В 2.7...3.6
Диапазон рабочих температур, ºС -20…+70
Выходная мощность, дБм -18…+5
Чувствительность приемника, дБм -90
Ток потребления, режим приема, мА 22
Ток потребления, режим передачи +5 дБм, мА 33
Ток потребления, режим передачи 0 дБм, мА 25
Количество каналов 16
Количество адресов в сети 65000
Размеры, мм 18*30
Радиус действия в свободном пространстве, м 100
Ориентировочная стоимость, USD 15.66
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
33
Новый приемопередатчик CC2520 стандарта 802.15.4
компанией Texas Instruments, с полным основанием может быть
отнесен к компонентам класса hi-rel. Он предназначен для
сложных условий эксплуатации и работает в расширенном
температурном диапазоне.
CC2520 представляет собой ZigBeeTM/IEEE 802.15.4
трансивер второго поколения, специально спроектированный для
радиочастотных приложений с частотой 2,4 ГГц (табл. 2.3).
Таблица 2.3. Характеристика трансивера CC2520
Параметр Минимальное
значение Типичное Максимальное
Условия
эксплуатации
Диапазон частот,
ГГц 2.394 2.4835 2.507
Скорость
передачи, кбит/сек 250
Рабочая
температура -40ºС …+85 ºС
Выходная
мощность, дБм -18 +5
Режим приема 250
Чувствительность
приемника, дБм -98
Ток потребления в
режиме приема,
мА
22
Радиочастотная продукция компании Digi хорошо известна
мировым разработчикам благодаря радиочастотным модулям
XBeeTM и XBee-PROTM. XBeeTM и XBee-PROTM -
малогабаритные модули стандарта ZigBee/IEEE 802.15.4,
предназначенные для построения промышленных сетей передачи
данных (таблица 2.4).
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
34
Рассмотрев технические характеристики модулей, и сравнив
их между собой, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным
и приемлемым оборудованием для построения сети является
модуля XBee XB24CZ7UIS-004 фирмы DIGI (рис. 2.4).
Также стоит отметить, что из-за дешевизны выбранного
сенсора и большого радиуса покрытия, предполагается его
использование повсеместно. Он будет использоваться, как
маршрутизатор и конечное устройство, а координатор для данного
устройства входит в набор при заказе отладочного модуля к нему
Таблица 2.4. Технические характеристики модуля XBee XB24
фирмы DIGI
Параметры Значение
Диапазон частот, ГГц 2,4
Скорость передачи данных, Кбит/с 250
Рабочее напряжение, В 2.1...3.6
Диапазон рабочих температур, ºС -40…+85
Выходная мощность, дБм -18…+5
Чувствительность приемника, дБм -102
Ток потребления, режим приема, мА 22
Ток потребления, режим передачи +5 дБм, мА 33
Ток потребления, режим передачи 0 дБм, мА 25
Количество каналов 16
Количество адресов в сети 65000
Размеры, мм 34*22*3
Радиус действия в свободном пространстве, м 100
Радиус действия в свободном пространстве с
подключённой UFL антеной(поставляется в
комплекте), м
до 1200
Ориентировочная стоимость, USD 21.39
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
35
Рис. 2.4. Модуль XBee XB24CZ7UIS-004
2.3 Проектирование инфраструктуры сенсорной сети с
помощью инструментального средства «Test Polygon»
2.3.1 Инструментальное средство «Test Polygon»
В качестве инструментального средства проектирования
будем использовать программное обеспечение «Test Polygon». Эта
программа представляет собой средство для работы с
картографическим материалом с интегрированным в нее
алгоритмом покрытия произвольной области кругами с обходом
преград (реки, озера, населенные пункты и т.д.)
На рис. 2.5 изображен вид главной формы.
1. Рабочее поле / Карта подложка – переключение между
режимами отображения главного поля;
2. Показывать подложку – когда включена данная опция,
будет отображена оцифрованная карта;
3. Запретная зона – когда включена эта опция, происходит
переход к обрисовке многоугольника зоны исключения
синим цветом;
4. Cover – при нажатии этой кнопки происходит покрытие
выделенной области кругами;
5. Nearest Point – поиск ближайшей точки для завершения
многоугольника;
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
36
6. Start – обрисовка демонстрационного стартового
многоугольника для покрытия области кругами;
7. Коэффициент наложения (окружностей) – отношение
радиуса окружности к расстоянию между центрами
окружностей;
8. Радиус – радиус окружности, которыми будет покрываться
выделенный участок (радиус действия беспроводного
сенсорного узла согласно техническим характеристикам);
9. Подтягивать «выбившиеся» окружности – окружности,
центры которых не попали в выделенную область, но
находятся не далее, чем значение пункта 10,
«подтягиваются» к границе многоугольника;
10. Коэффициент правки – значение в долях от радиуса
окружности насколько близко должен быть центр
окружности к многоугольнику, чтобы его было
целесообразно переносить на границу выделенной области.
Рис. 2.5. Вид главной формы
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
37
2.3.2 Задание области исследуемой территории главным
многоугольником
Процедура задания области состоит из следующих шагов. На
первом этапе работы с инструментальным средством «Test
Polygon» выбираем опцию «Показывать подложку» (рис. 2.5).
Выделяем необходимую область многоугольником: правой
кнопкой мышки по точкам строим красный контур необходимого
участка и по окончании построения фигуры щелкаем правой
кнопкой два раза и «замыкаем» многоугольник. Получаем контур
территории, с которой будем работать. Результат процедуры
изображен на рис.2.6.
Рис. 2.6. Выделенная область участка мониторинга
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
38
2.3.3 Выделение запретной зоны в участке главного
многоугольника
Выбираем опцию «Запретная зона» (рис. 2.5) и рисуем контур
области, где не нужен контроль. Аналогично выделяем
необходимую область многоугольником: правой кнопкой мышки
по точкам строим теперь уже синий контур запретного участка и
по окончании построения фигуры щелкаем правой кнопкой два
раза и «замыкаем» многоугольник «запретной зоны». Полученный
результат изображен на рисунке 2.7.
Рис. 2.7. Выделенная область участка мониторинга с учетом
«запретной зоны»
2.3.4 Покрытие результирующей области датчиками
Покрытие результирующей области кругами с обходом
запретной зоны при коэффициенте наложения 0,5. Нажимаем
кнопку «Cover» (рис. 2.5) получаем результат покрытия
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
39
выделенной области кругами со следующими параметрами
(рис.2.8):
«Коэффициент наложения» = 0,5;
«Радиус» = 10 м;
опция «Подтягивать «выбившиеся» окружности»
включена;
«Коэффициент правки» = 0,38.
Рис. 2.8. Покрытие результирующей области кругами при
коэффициенте наложения равном 0,5 (Rдатч .= 10 м)
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
40
Также проведем проектирование для различных радиусов
действия датчика. На рис. 2.9 показан пример покрытия для Rдатч .=
20 м, а на рис. 2.10 – для Rдатч .= 50 м.
Рис. 2.9. Покрытие результирующей области кругами при
коэффициенте наложения равном 0,5 (Rдатч .= 20 м)
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
41
Рис. 2.10. Покрытие результирующей области кругами при
коэффициенте наложения» равном 0,5 (Rдатч .= 50 м)
Проведем проектирование для других радиусов действия
датчиков. В итоге получим следующую зависимость (табл. 2.5).
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
42
Таблица 2.5 Зависимость количества датчиков для покрытия
исследуемого участка при различном радиусе действия узла
(k=0,5)
Rдатч .
10
15
20
25
30
35
40
45
50
N(k=0.5)
534
240
137
92
69
53
42
33
26
Покрытие результирующей области кругами с обходом
запретной зоны при коэффициенте наложения 0,6. Проведем
эксперимент, аналогичный предыдущему, поменяв значение
коэффициента наложения на 0,6.
В итоге получаем таблицу зависимости (таблица. 2.6).
Таблица 2.6. Зависимость количества датчиков для покрытия
исследуемого участка при различном радиусе действия узла
(k=0,6)
Rдатч .
10
15
20
25
30
35
40
45
50
N(k=0.6)
744
352
206
136
94
73
55
46
44
Покрытие результирующей области кругами с обходом
запретной зоны при коэффициенте наложения 0,7. Проведем
эксперимент, в котором покрытие исследуемого участка будет
происходить с коэффициентом наложения k=0.7 (табл. 2.7).
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
43
Таблица 2.7. Зависимость количества датчиков для покрытия
исследуемого участка при различном радиусе действия узла
(k=0,6)
Rдатч . 10 15 20 25 30 35 40 45 50
N(k=0.7)
1041 469 273 179 131 98 77 65 53
2.3.5 Анализ полученных данных
На основании данных из таблиц 2.5-2.7 построим график
зависимости количества узлов в БСС от радиуса действия датчика
и себестоимости БСС с учетом, что себестоимость сети не должна
превышать 14 400 грн. (цена 1 беспроводного сенсорного узла
приблизительно составляет 240 грн.).
Рассмотрим график в точке радиуса действия сенсора равной
30 метров (рис. 2.11).
Рис. 2.11. График зависимости количества узлов в БСС от радиуса
действия датчика и себестоимости БСС
На вспомогательной вертикальной оси отложим заложенную
себестоимость БСС в 14 400 грн. и найдем пересечение этой линии
с графиками количества узлов для коэффициентов наложения 0.5,
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
44
0.6 и 0.7. После этого найдем минимальный эффективный радиус
действия сенсора:
- для коэффициента наложения 0.5 и количества узлов БСС 60
штук минимальный эффективный радиус действия сенсора равен
32,5 м;
- для коэффициента наложения 0.6 и количества узлов БСС 60
штук минимальный эффективный радиус действия сенсора равен
38,75 м;
- для коэффициента наложения 0.7 и количества узлов БСС 60
штук минимальный эффективный радиус действия сенсора равен
47 м.
Таким образом, применение методики проектирования
сенсорной сети и инструментального средства позволяет повысить
энергоэффективность сети, обеспечить требуемую полноту
контроля при ограничении на стоимость системы мониторинга, а
также сократить время проведения проектирования, повысить
точность расчетов, уменьшить долю ручного труда и количества
ошибок разработчика.
2.3.6 Программа исследований
В ходе выполнения тренинга необходимо:
1. Ознакомится с картой лесного ресурса (понимать структуру
карты, зоны пожарной опасности, запретные участки).
2. Получить исходный полигон для построения системы
мониторинга.
3. Выполнить идентификацию запретных участков полигона.
4. Обосновать и выбрать технологию построения сенсорной
сети.
5. Обосновать и выбрать топологию сенсорной сети.
6. Выбрать оборудование для узлов сенсорной сети.
7. Выполнить проектирование для различных радиусов
действия датчика и коэффициентов наложения.
8. Выбрать вариант инфраструктуры с учетом ограничений по
стоимости.
9. Составить отчет о процесс исследования.
10. Сделать выводы по работе.
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
45
Требования к содержанию отчета по тренингу
Отчет должен содержать:
титульный лист;
цель и программу проведения исследований;
карту лесного полигона;
результаты покрытия, сформированных системой «Test
Polygon»;
результаты исследования сенсорной сети; выводы по работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое мониторинг? Какие виды систем мониторинга вы
знаете?
2. Назовите критерии для выбора инфраструктуры наземной
системы мониторинга.
3. На каких современных технологиях базируются наземные
системы мониторинга?
4. Сформулируйте задачу проектирования НСМ для
обнаружения лесных пожаров.
5. Перечислите компоненты архитектуры наземной системы
мониторинга лесных пожаров. Что такое гибридная наземная
система мониторинга лесных пожаров и каковы ее преимущества?
6. Что понимается под энергоэффективностью сенсорной
сети? Обоснуйте важность проблемы обеспечения
энергоэффективности при построении систем мониторинга лесных
ресурсов на основе сенсорных сетей.
7. Какие вы знаете беспроводные сетевые технологии? Как
они могут быть классифицированы?
8. Перечислите основные характеристики технологии Wi-Fi.
9. Приведите примеры систем, где используется технология
ZigBee.
10. Каковы особенности использования сенсорных сетей в
задачах мониторинга лесных пожаров?
11. Чем определяется число узлов сенсорной сети системы
мониторинга лесных пожаров?
12. Какие вы знаете сетевые топологии? Как влияет выбор
сетевой топологии на энергоэффективность?
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
46
13. Какие модели лесных ресурсов необходимы для
проектирования наземных систем мониторинга?
14. Назовите основные этапы построения энергоэффективной
сенсорной сети.
15. Приведите примеры компаний-разработчиков модулей
ZigBee.
16. Перечислите функции инструментального средства «Test
Polygon».
17. Из каких шагов состоит процедура задания области
мониторинга?
18. Что такое запретная зона?
19. В чем суть метода пространственного покрытия плоскости
кругами и его место в процессе проектирования наземных систем
мониторинга на основе сенсорных сетей?
20. Какие исходные данные требуются для программы «Test
Polygon»?
Литература
1. Зелёная ИТ-инженерия. В 2-х томах. Том 2. Системы,
индустрия, социум. Лекционный материал / Под ред. Харченко
В.С. – Министерство образования и науки Украины,
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского
«ХАИ». – 2014. – 688 с.
2. Безопасность критических инфраструктур: математические
и инженерные методы анализа и обеспечения/ Под ред. Харченко
В.С. – Харьков: Национальный аэрокосмический университет им.
Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2011. – 641 с.
3. Информационные технологии для критических
инфраструктур: монография / Под ред. А.В. Скаткова –
Севастополь: СевНТУ, 2012. – 306 с.
4. Плахтеев А.П., Орехов А. А., Плахтеев П.А. Система
мониторинга лесных пожаров на основе сенсорных сетей //
Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2014. – №6(70). – С.85–89.
5. Тот Л.Ф. Расположение на плоскости на сфере и в
пространстве / Л.Ф. Тот. М.: Физматлит, 1958. – 365 с.
6. Астраков С.Н. Сенсорные сети и покрытие плоскости
кругами / С.Н.Астраков, А.И.Ерзин, В.В. Залюбовский
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
47
//Дискретный анализ и исследование операций // 2009. Том 16, №
3. C. 3–19.
7. Snehal A.Jadhav et al. Wireless Sensor Network Based
Monitoring System for Forest // International Journal on Recent and
Innovation Trends in Computing and Communication, Volume 3, Issue
3 http://www.ijritcc.org/download/1428990984.pdf
8. P.S. Jadhav et. al. Forest Fire Monitoring System Based On
ZIG-BEE Wireless Sensor Network // International Journal of
Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 12,
2012
9. Leila Maleki. Using Wireless Sensor Networks for Detection
Reliable Forest Fires, Elsevier, 26, 2013
http://www.slideshare.net/Leila_maleke/using-wireless-sensor-
networks-for-reliable-forest-fires
10. M. Hefeeda, M. Bagheri. Forest Fire Modeling and Early
Detection // Adhoc & Sensor Wireless Networks, Vol.7, No.3/4, p169-
224, 2009
11. Junguo ZHANG, Wenbin LI, Ning HAN, Jiangming KAN.
Forest fire detection system based on a ZigBee wireless sensor network.
- Higher Education Press and Springer-Verlag, 2008
http://eps2009.dj-inod.com/docs/09-04-
23/Forest_fire_detection_system_based_on_a_ZigBee_wireless_sensor
_network.pdf
12. M.A. Serna et al. Distributed Forest Fire Monitoring Using
Wireless Sensor Networks // International Journal of Distributed Sensor
Networks, Volume 2015.
http://www.hindawi.com/journals/ijdsn/2015/964564/
13. M.A. Serna, A. Bermudez, R. Casado, Circle-based
approximation to forest fires with distributed wireless sensor networks
// Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking
Conference (WCNC '13), pp. 4329–4334, April 2013.
14. M. Á. Serna, A. Bermúdez, R. Casado, Hull-based
approximation to forest fires with distributed wireless sensor networks
// Proceedings of the IEEE 8th International Conference on Intelligent
Sensors, Sensor Networks and Information Processing: Sensing the
Future (ISSNIP '13), Р.265–270, April 2013.
2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы
мониторинга лесных ресурсов
48
15. S.-W. Hong, S.-K. Noh, E. Lee, S. Park, S.-H. Kim. Energy-
efficient predictive tracking for continuous objects in wireless sensor
networks// Proceedings of the IEEE 21st International Symposium on
Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC '10), pp.
1725–1730, IEEE, Istanbul, Turkey, September 2010.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
49
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ С ТОЛЕРАНТНОСТЬЮ К
ЗАДЕРЖКАМ
3.1 Расчет информационного и энергетического ресурса
сетей с толерантностью к задержкам
Цель и задачи тренинга
Целью тренинга является, овладение навыками расчета
дальности связи и времени передачи данных в сетях с
толерантностью к задержкам.
Учебные задачи:
изучение архитектуры и протоколов обмена данными в сетях
с толерантностью к задержкам;
освоение методик расчета задержек обмена данными с
гарантированной вероятностью доставки.
Практические задачи:
выбор технических характеристик сетевых узлов для
доставки заданных объемов данных и оценка времени доставки при
ограничениях на энергетический ресурс сети;
использование анализаторов сетевого трафика: Wireshark
или SmartSniff для определения статистических характеристик
разнородного трафика типа "речь + видео + данные".
Функциональность, которую предоставляет Wireshark, очень схожа с
возможностями программы tcpdump, однако Wireshark имеет
графический пользовательский интерфейс и гораздо больше
возможностей по сортировке и фильтрации информации. Программа
позволяет пользователю просматривать весь проходящий по сети
трафик в режиме реального времени, переводя сетевую карту в
режим неселективного или "беспорядочного" захвата (англ.
promiscuous mode).
Исследовательская задача:
разработка методики оптимизации маршрутов доставки
данных по критерию максимальной вероятности доставки при
ограничениях на энергетический ресурс сети.
Подготовка к работе
При подготовке к работе необходимо:
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
50
– уяснить цели и задачи исследований;
– изучить теоретический материал, приведенный в описании,
а также в [1–4];
– проанализировать особенности построения и эксплуатации
сетей с толерантностью к задержкам, неустойчивости и случайным
нарушениям сеансов связи;
– ознакомиться с порядком работ и составить план
исследований.
Теоретический материал
3.1.1 Архитектура и протоколы сетей с толерантностью к
задержкам
Протокол TCP и большинство других транспортных
протоколов реализованы, исходя из предположения о том, что
между отправителем и получателем постоянно существует
рабочий путь; в противном случае протокол дает сбой, и пакеты не
доставляются.
В некоторых сетях сквозной путь часто отсутствует. В
качестве примера можно привести космическую сеть, в которой
спутники LEO (Low-Earth Orbit, низкая околоземная орбита)
попеременно находятся в зоне и вне зоны досягаемости наземных
станций. Каждый конкретный спутник может установить связь с
данной наземной станцией только в определенное время, а два
спутника никогда не могут установить связь друг с другом даже
через наземную станцию, так как один из них всегда находится вне
зоны досягаемости этой станции. Перспективные сети т. н.
"межпланетного Интернета" характеризуются задержками,
неприемлемыми для применения традиционных протоколов
сетевого и транспортного уровней. Например, ответ с Луны будет
идти полторы секунды, с Марса – в среднем около восьми минут.
Кроме того, необходимо учитывать затухание сигнала (а значит, и
уменьшения отношения сигнал/шум) по мере удаления
передатчика.
Другие примеры касаются специализированных, в частности,
беспроводных сенсорных сетей (Wireless Sensor Networks - WSN),
сетей с мобильными коммутационными узлами (авиационный
бортовой Интернет) и пр.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
51
Для таких сетей связь является непостоянной из-за
перемещений или экстремальных условий. Тем не менее, передача
данных возможна и в сетях с непостоянной связью: эти данные
могут храниться на узлах до тех пор, пока не появится рабочее
соединение. Такой метод называется коммутацией сообщений.
Сети, сконструированные по такому принципу, называются
сетями, устойчивыми к задержкам (DTN, Delay-Tolerant Network),
или сетями, устойчивыми к задержкам и разрывам соединений
(DTN, Delay/Disruption-Tolerant Network).
Модель DTN предлагает отказаться от одного из
предположений, на которых основан современный Интернет. Оно
звучит так: в течение всего сеанса связи существует сквозной путь
между отправителем и получателем. Когда это не так, обычные
Интернет-протоколы не работают. Сети, устойчивые к задержкам,
обходят проблему отсутствия сквозного пути с помощью
архитектуры, основанной на коммутации сообщений (рис. 3.1).
Кроме того, они приспособлены к передаче данных по каналам с
низкой надежностью и большими задержками. Эта архитектура
определена в RFC 4838.
Рис. 3.1. Архитектура сетей с толерантностью к задержкам
В терминологии DTN сообщение называется посылкой. Узлы
DTN оснащены запоминающими устройствами – как правило, с
постоянной памятью (диски, флэш-память и т. д.). В них посылки
хранятся до тех пор, пока нужный канал не активизируется; затем
происходит отправка посылок. Каналы работают с перерывами.
Такая схема очень похожа на то, что происходит с пакетами
на маршрутизаторах. Однако здесь есть качественные отличия. На
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
52
маршрутизаторах в Интернете ожидание в очереди длится
несколько миллисекунд, в худшем случае – секунд. В узлах DTN
посылки могут храниться неопределенно долго – до тех пор, пока
мобильный узел не попадет в зону приема, самолет не
приземлится, узел сенсорной сети не накопит солнечную энергию,
необходимую для его работы, спящий компьютер не проснется и
т.д. Эти примеры иллюстрируют и второе отличие: узлы с
хранящимися в них посылками могут перемещаться (вместе с
автомобилем, кораблем или самолетом), и это может играть
ключевую роль в доставке данных; маршрутизаторы Интернета
двигаться не могут. Чтобы описать весь процесс перемещения
посылок, иногда используют термин «получение-перенос-
отправка» («store-carry-forward»).
Протоколы DTN впервые использовались в космосе (рис. 3.2).
Изображения должны приходить на пункт сбора данных. Но
спутник имеет непостоянную связь с тремя наземными станциями.
Двигаясь по орбите, он связывается ними по очереди. Таким
образом, спутник, наземные станции и пункт сбора данных
являются узлами DTN. По каждому контакту посылка (или часть
посылки) передается наземной станции. Затем посылки
доставляются на пункт сбора данных по транзитной наземной
сети. На этом передача завершается.
Рис. 3.2. Сеть космического базирования с
толерантностью к задержкам
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
53
Основное преимущество архитектуры DTN состоит в том, что
она подходит для ситуации, когда требуется хранить информацию
в памяти, так как в момент получения информации связь
отсутствует. Помимо этого, у DTN есть еще два преимущества.
Во-первых, один контакт может быть слишком коротким, чтобы
отправить всю информацию. Эта проблема решается путем
распределения данных между контактами с несколькими
приемными узлами. Во-вторых, канал между спутником и
наземной станцией работает независимо от канала, соединяющего
станцию и наземную сеть. Это значит, что скорость обмена
данными между спутником и станцией не будет ограничена даже
при наличии медленных каналов в наземной сети. Данные могут
передаваться на максимальной скорости. Посылка будет храниться
на станции до тех пор, пока ее не удастся передать на пункт сбора
данных.
В описании архитектуры DTN не рассматривается вопрос
поиска оптимальных маршрутов через узлы DTN. Хорошие
маршруты зависят от архитектуры, которая описывает, когда
следует отправлять данные и по каким направлениям (контактам).
О некоторых контактах можно узнать заранее. Так, в космической
сети заранее известно движение небесных тел. В эксперименте по
использованию DTN в космосе заранее было известно время связи,
а также то, что контакт с каждой наземной станцией длится от 5 до
14 минут и что пропускная способность по нисходящему каналу
составляет 8,134 Мбит/с. С помощью этих сведений можно
планировать передачу информационных посылок.
В других случаях контакты можно предсказать с меньшей
долей вероятности. Примеры таких ситуаций – движущиеся
объекты, которые связываются друг с другом регулярно (по
расписанию), но все же с некоторыми отклонениями; сети
провайдеров, в которых внепиковое время и доступный ресурс
пропускной способности можно предсказать по данным,
полученным ранее. Другой крайностью являются ситуации, в
которых контакты являются эпизодическими и в произвольные
моменты. Например, так происходит при передаче данных от
пользователя к пользователю с помощью мобильных телефонов,
которая зависит от того, какие пользователи выйдут на связь друг
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
54
с другом в течение дня. Когда контакты непредсказуемы, одна из
возможных стратегий – отправлять копии посылки по разным
путям в надежде на то, что одна из копий дойдет до места
назначения до окончания времени ее жизни.
Рассмотрим теперь уровни эталонных моделей OSI, TCP/IP и
DTN и их применение на примере систем дальней космической
связи и передачи данных.
Старая модель дальней космической связи предусматривала
прямую передачу данных с космического аппарата на Землю во
время окна прямой видимости передающей и принимающей
антенн.
Новая модель предполагает, что космические аппараты будут
содержать в себе функцию, способную хранить большие пакеты
данных и передавать их дальше, как только откроется окно связи –
«store-and-forward». Попытки передачи продолжаются до тех пор,
пока узлу сети не удается связаться со следующим и успешно
передать ему данные. Этот принцип и был заложен в новый
протокол доставки расщепленных пакетов – Bundle (англ. свёрток,
связка) для сети с толерантностью к задержкам. На рис. 3.3
изображены уровни моделей OSI, TCP/IP и DTN.
Физический
Передачи данных
Сетевой
Транспортный
Сеансовый
Представления
данных
Прикладной
Межсетевой
Транспортный
Прикладной
От хоста к сети
Не присутствуют
Физический
Передачи данных
Сетевой
Транспортный
Прикладной
Доставки
расщепленных
пакетов
OSI TCP/IP DTN
Рис. 3.3. Уровни моделей OSI, TCP/IP и DTN
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
55
Формат сообщений протокола Bundle приведен на рис. 3.4. По
названиям полей можно понять назначение этого протокола.
Рис. 3.4. Формат сообщений протокола Bundle
Надёжность канала обеспечивается механизмом, носящим
название «перенос под надзором» (custody transfer): узлы сети
принимают на себя ответственность за передачу потерянных
пакетов. Если адресат объявляет, что данные к нему добрались с
нарушением целостности, производится повторная отправка
недостающих фрагментов с ближайших к нему узлов – а не
перепосылка их от изначального отправителя, как в нынешней,
земной реализации протокола TCP.
Помимо полей идентификаторов "Адрес назначения" и
"Источник", мы видим идентификатор "Ответственный
хранитель". Ответственный хранитель – это сторона, обязанная
следить за тем, чтобы пакет был доставлен. В Интернете эта роль
обычно возложена на источник, так как именно он выполняет
повторную передачу, если данные не доходят до пункта
назначения. Однако в DTN узел-источник не всегда находится на
связи и, следовательно, не всегда может узнать, доставлены ли
данные. Для решения этой проблемы в DTN используется
процедура custody transfer, при которой другой узел,
расположенный ближе к получателю, принимает на себя
ответственность за доставку данных. Например, если посылка
временно хранится на самолете и будет передана позднее и в
другом месте, самолет может стать ответственным хранителем
этой посылки.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
56
Для защиты от космических хакеров передающиеся данные
полностью шифруются. Чтобы принять или отправить
информацию, узлы должны обменяться идентификационными
ключами и взаимно «узнать» друга.
Также намечены дальнейшие пути развития:
необходимость в изменении механизма контрольной суммы;
устранение зависимости протокола от временной
синхронизации.
В итоге добавление протокола Bundle в качестве надстройки в
DTN может способствовать улучшению автоматизированной
маршрутизации данных и повысить функциональную
совместимость для операций между различными сетевыми
сегментами.
Большинство низкоорбитальных спутников используют
межспутниковые каналы, чтобы построить сеть с динамичной
топологией, ограниченной зоной подготовки и памятью. Кроме
того, сама среда имеет ряд недостатков для передачи данных:
электромагнитные помехи, ограничение энергии, физические
отказы, сложность ремонта и другое. Все это усложняет процесс
разработки надежных протоколов. Для обеспечения передачи
данных с требуемым качеством необходимо рассчитывать
технические характеристики системы связи, в первую очередь,
дальность связи.
3.1.2 Расчет дальности радиосвязи
Общие сведения
Качество космической радиосвязи зависит от множества
различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров
бортовой и наземной антенн, длины волны, качества
приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения
сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения
космического аппарата.
Энергия электромагнитных волн убывает пропорционально
квадрату пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с
Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал,
переданный с Луны, а с Плутона – еще в тысячу раз слабее. Есть
несколько способов обеспечить мощность принимаемого сигнала
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
57
выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный –
увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать –
антенны системы дальней космической связи излучают в космос
до полумегаватта энергии. А на космическом аппарате бюджет
энергии жестко ограничен. Ее вырабатывают либо солнечные
батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения
большей мощности надо увеличивать их массу. При этом растут
также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток
вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена
возможностями ракеты-носителя, а увеличить же массу отдельной
системы за счет других чаще всего невозможно. Космические
аппараты – это очень гармоничные технические комплексы, где
все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно
изменить одну систему, не повлияв на параметры других.
В табл. 3.1 даны условные обозначения частотных
диапазонов, используемых в космической связи.
Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на
диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной
литературе точные границы диапазонов могут не совпадать.
Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6.
Выбор частоты для передачи данных от земной станции к
спутнику и от спутника к земной станции не является
произвольным. От частоты зависит, например, поглощение
радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры
передающей и приёмной антенн.
Частоты, на которых происходит передача от земной станции
к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от
спутника к земной станции (как правило, первые выше).
Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно
небольшими антеннами, и поэтому используется в космической
связи, несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия
оказывают существенное влияние на качество передачи.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
58
Таблица 3.1. Условные обозначения частотных диапазонов
Название
диапазона Частоты (согласно ITU-R V.431-6) Применение
L 1,5 ГГц Подвижная
спутниковая связь
S 2,5 ГГц Подвижная
спутниковая связь
С 4 ГГц, 6 ГГц Фиксированная
спутниковая связь
X
Для спутниковой связи
рекомендациями ITU-R частоты не
определены. Для приложений
радиолокации указан диапазон 8-12
ГГц.
Фиксированная
спутниковая связь
Ku 11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц
Фиксированная
спутниковая связь,
спутниковое вещание
K 20 ГГц
Фиксированная
спутниковая связь,
спутниковое вещание
Ka 30 ГГц
Фиксированная
спутниковая связь,
межспутниковая связь
Для передачи данных крупными пользователями
(организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает
более высокое качество приема, но требует довольно больших
размеров антенны.
Не менее важными фактором, влияющим на дальность связи,
является размер антенны и, соответственно, ширина ее диаграммы
направленности. При этом возникает необходимость точно
нацеливать антенну на приемный узел.
На рис. 3.5 изображен график типичной диаграммы
направленности антенны.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
59
Рис. 3.5 График диаграммы направленности антенны в полярных
координатах
С другой стороны, в сложных межпланетных миссиях к
ориентации аппарата могут предъявляться многочисленные
противоречивые требования: повернуть солнечные батареи к
свету, двигатель – соответственно производимому маневру,
научную аппаратуру – на изучаемый объект. Поэтому придется
использовать ненаправленные или слабонаправленные антенны.
Дадим некоторые термины и определения, используемые в
расчетах дальности радиосвязи.
Термины и определения
Коэффициент направленного действия (КНД – Directivity)
антенны – отношение квадрата напряженности поля, создаваемого
антенной в данном направлении, к среднему значению квадрата
напряженности поля по всем направлениям. Обычно оперируют
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
60
значением КНД 0D в направлении максимального излучения
антенны.
КНД является безразмерной величиной, может выражаться в
децибелах.
КНД плоской апертуры
D0 = (4πSKи.п./λ2)cosθ0 (при условии, что луч отстоит от
плоскости апертуры на 2-3 ширины по уровню -3 дБ; S – площадь
апертуры; Kи.п. – апертурный коэффициент использования
поверхности; θ0 – направление сканирования луча, угол места в
сферической системе координат, отсчитываемый от нормали к
апертуре). Уменьшение КНД при сканировании (множитель cosθ0)
обусловлено расширением луча.
Приближенное значение КНД параболической антенны: 2 24 4D A S , где 2S R – геометрическая площадь
раскрыва; – коэффициент использования поверхности раскрыва.
Для параболических антенн можно применять приближенную
формулу: 2
0
0,5 0,5
460
àç óì
D
, где 0,5àç , 0,5óì – ширина диаграммы
направленности антенны на уровне половинной мощности по
азимуту и углу места соответственно.
Коэффициент усиления (КУ – Gain) антенны – отношение
мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой
ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны
создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные
значения напряженности поля или такой же плотности потока
мощности. Обычно оперируют значением КУ 0G в направлении
максимального излучения антенны.
КУ является безразмерной величиной, может выражаться в
децибелах.
Связь КНД и КУ антенны
КУ по мощности представляет собой произведение КНД и
– коэффициента полезного действия (КПД) антенны, с помощью
которого учитываются потери в антенно-фидерном тракте:
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
61
, 1G D
Между эффективной площадью A и КУ антенны существует
простая связь: 24G A .
Волновое сопротивление вакуума
00 0
0
118,916 983 2
376,730 313 461 77 120 Î ì ,
EZ c
H
где 0 – магнитная постоянная – физическая константа, скалярная
величина, входящая в выражения некоторых законов
электромагнетизма в виде коэффициента пропорциональности;
0 – электрическая постоянная – физическая константа,
скалярная величина, входящая в выражения некоторых законов
электромагнетизма, в том числе закона Кулона.
Приближённое значение для 0Z получается, если для
скорости света принять значение 83 10 м/c.
По определению электрическая постоянная 0 связана со
скоростью света и магнитной постоянной 0 соотношением
0 2
0
1
c
.
3.1.3 Методика расчета дальности радиосвязи
Оценка дальности радиосвязи производится путем расчета
или измерения напряженности электромагнитного поля в точке
приема, как правило, амплитуды напряженности электрического
поля ЕПР, которая убывает пропорционально квадрату расстояния
до точки приема.
Для расчета напряженности Епр может быть использована
формула Введенского:
ï ð 1 22
4 60P GE h h
r
,
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
62
где P – мощность передатчика; G – коэффициент направленного
действия (КНД) передающей антенны; – длина волны; r –
протяженность линии радиосвязи – дальность радиосвязи; 1 2,h h –
высоты подъема передающей и приемной антенн соответственно.
Однако данная формула учитывает зависимость дальности
связи только от технических характеристик передатчика
(выходная мощность радиопередатчика, тип антенн, высота их
подъема и ориентация в пространстве). В ней не учтены такие
важные факторы как:
чувствительность радиоприемника и уровень радиопомех в
точке приема;
длина и погонное затухание фидерной линии радиостанции;
характер местности, наличие препятствий на пути
распространения радио волн (РРВ).
Очень важной характеристикой производительности систем
связи является отношение "сигнал-шум" (ОСШ). ОСШ - это
отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов
на 1 герц ( 0bE N ). Рассмотрим сигнал, содержащий двоичные
цифровые данные, передаваемые с определенной скоростью - R
бит/с. Напомним, что 1 Вт = 1 Дж/с, и вычислим удельную
энергию одного бита сигнала: Eb = STb (где S - мощность сигнала;
Tb - время передачи одного бита). Скорость передачи данных
можно выразить в виде 1 bT . Учитывая, что тепловой шум,
присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства
или проводника составляет
0 Âò ÃöN kT , (3.1)
где N0 - плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы; k -
постоянная Больцмана, 231,3803 10 Äæ Êk ; T - температура в
Кельвинах (абсолютная температура), то, следовательно,
0 0
bE S S
N N kT
. (3.2)
Отношение 0bE N имеет большое практическое значение,
поскольку скорость появления ошибочных битов является
(убывающей) функцией данного отношения. При известном
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
63
значении 0bE N , необходимом для получения желаемого уровня
ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведенном
уравнении. Следует отметить, что для сохранения требуемого
значения 0bE N при повышении скорости передачи данных R
придется увеличивать мощность передаваемого сигнала по
отношению к шуму.
Довольно часто уровень мощности шума достаточен для
изменения значения одного из битов данных. Если же увеличить
скорость передачи данных вдвое, биты будут "упакованы" в два
раза плотнее, и тот же посторонний сигнал приведет к потере двух
битов информации. Следовательно, при неизменной мощности
сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечет за
собой возрастание уровня возникновения ошибок.
Пример 1
Рассмотрим метод кодирования сигнала, для которого
необходимо, чтобы отношение 0bE N равнялось 8,4 дБ при
частоте возникновения ошибок 10-4 (ошибочным является 1 бит из
каждых 10000). Если эффективная температура теплового шума
равна 290К, а скорость передачи данных - 1 Мбит/с, какой должна
быть мощность сигнала, чтобы преодолеть тепловой шум?
Решение:
По формуле (2) находим S:
0
bES kT
N .
Для упрощения расчетов переведем это выражение в
логарифмы:
äÁÂò
0 0
10lg 10lgb bE ES kT kT
N N
Так как 1 Мбит = 1048576 бит, то
23
äÁÂò 8,4 10lg 1,38 10 290 1048576 135,37S
или äÁÂò
141010 2,904 10 Âò
S
S .
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
64
Следовательно, для того, чтобы преодолеть тепловой шум,
необходима мощность 35,37 дБВт.
Расчет дальности работы беспроводного канала связи
Без вывода приведем формулу расчета дальности. Она берется
из инженерной формулы расчета потерь в свободном
пространстве:
33 20 lg lgSLF F r .
SLF (Free Space Loss) - потери в свободном пространстве (дБ);
F - центральная частота канала, на котором работает система связи
(МГц); r - расстояние между двумя точками (км).
SLF определяется суммарным усилением системы. Оно
рассчитывается следующим образом:
min+ äÁt r t rY P G G P L L , (3.3)
где äÁì ÂòP – мощность передатчика; äÁètG – коэффициент
усиления передающей антенны; äÁèrG – коэффициент усиления
приемной антенны; min äÁì ÂòP – чувствительность приемника на
данной скорости; äÁtL – потери сигнала в коаксиальном кабеле
и разъемах передающего тракта; äÁrL – потери сигнала в
коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.
Таблица 3.2. Зависимость чувствительности
от скорости передачи данных
Скорость Чувствительность
54 Мбит/с -66 дБмВт
48 Мбит/с -71 дБмВт
36 Мбит/с -76 дБмВт
24 Мбит/с -80 дБмВт
18 Мбит/с -83 дБмВт
12 Мбит/с -85 дБмВт
9 Мбит/с -86 дБмВт
6 Мбит/с -87 дБмВт
Для каждой скорости приемник имеет определенную
чувствительность. Для небольших скоростей (например, 1-2
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
65
мегабита) чувствительность наименьшая: от –90 дБмВт до
–94 дБмВт. Для высоких скоростей чувствительность намного
выше. В качестве примера в табл. 3.3 приведено несколько
характеристик обычных точек доступа 802.11a,b,g.
В зависимости от марки радиомодулей максимальная
чувствительность может немного варьироваться. Ясно, что для
разных скоростей максимальная дальность будет разной.
SLF вычисляется по формуле
SL OMF Y S , (3.4)
где OMS (System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи
(дБ). Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на
дальность связи, такие как:
температурный дрейф чувствительности приемника и выходной
мощности передатчика;
всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;
рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-
фидерным трактом.
Параметр OMS обычно берется равным 10 дБ. Считается, что
10-децибельный запас по усилению достаточен для инженерного
расчета. Центральная частота канала 0f берется из табл. 3.3.
Таблица 3.3. Вычисление центральной частоты
Канал
Центральная
частота
(МГц)
Канал
Центральная
частота
(МГц)
1 2412 8 2447
2 2417 9 2452
3 2422 10 2457
4 2427 11 2462
5 2432 12 2467
6 2437 13 2472
7 2442 14 2484
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
66
В итоге получим формулу дальности связи:
0
33lg
20 2010SLF
f
r
(3.5)
3.1.4 Программа разработок и исследований
В лабораторной работе необходимо исследовать зависимость
скорости передачи и пропускной способности сети DTN от
параметров трафика данных.
В качестве инструмента для измерения характеристик трафика
использовать программное средство Wireshark.
Рис. 3.6. Рабочее окно программы Wireshark
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
67
Рис. 3.7. Архитектура Wireshark
Этапы выполнения работы
1. Выполнить статистические исследования трафика сети с
помощью анализатора пакетов Wireshark.
1.1 Выполните установку на вашем компьютере программы
Wireshark. Программа Wireshark находится в свободном доступе
по адресу https://www.wireshark.org/
Для выполнения установки следуйте инструкциям Wireshark Setup
Wizard.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
68
1.2 Зайдите в меню Capture > Options или нажмите Ctrl+K для
дальнейшей настройки параметров программы.
1.2.1 В разделе Capture в поле Interface выберите из
выпадающего списка Ethernet-адаптер, через который будет
происходить захват пакетов. Вы увидите окно Capture Options.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
69
1.2.2 В разделе Capture в поле Interface выберите из
выпадающего списка Ethernet-адаптер, через который будет
происходить захват пакетов.
1.2.3 Затем нажмите кнопку Start для начала захвата пакетов.
В программе Wireshark вы увидите все захваченные пакеты,
которые присутствуют на LAN-порту устройства.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
70
1.2.4 Зайдите в меню File > Save As… для сохранения
захваченных данных в файл.
1.2.5 С помощью программы Excel, меню "Сервис > Анализ
данных > Гистограмма" проанализируйте статистические
характеристики полученных выборок. На рис.
Uniform R(0;1)
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1 501 1001 1501 2001 2501
Рис.3.8. Выборка данных I с равномерным законом распределения
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
71
Гистограмма
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0.000437 0.185541259 0.370645519 0.555749778 0.740854037 0.925958296
Карман
Часто
та
Рис. 3.9. Гистограмма выборки I
Gauss(0;1)
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
1 501 1001 1501 2001 2501
Рис. 3.10. Выборка данных II с гауссовским законом
распределения
Гистограмма
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-5.832556 -3.771119704 -1.709683407 0.351752889 2.413189185 4.474625481
Часто
та
Рис. 3.11. Гистограмма выборки II
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
72
PARETO
0
1
2
3
4
5
6
1 501 1001 1501 2001 2501
Рис. 3.12. Выборка данных III с законом распределения Парето
Гистограмма
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1.545813463 2.777232944 4.008652424 5.240071905 6.471491385 7.702910866Карман
Часто
та
Рис. 3.13. Гистограмма выборки III
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
73
2. Выполнить исследования характеристик обнаружения
сигналов в сети с толерантностью к задержкам.
Рассмотрим специализированную информационно-
коммуникационную сеть и задержками передачи. Сетевые узлы
могут быть как мобильными, так и стационарными (рис. 3.14).
Система управления
сетью Базовая станция
беспроводной сети
Рис. 3.14. Схема DTN-сети с мобильными узлами
Сеть содержит N коммутационных узлов (КмУ), один
источник ns и один узел сбора информации (приемник) nd . Схема
расположения узлов изображена на рис. 3.15.
Задача заключается в том, чтобы передать информацию от
источника ns на приемник nd с минимальной задержкой и
ограничением на расход энергии источника и сетевых
коммутационных узлов.
В сети с толерантностью к задержкам будем считать передачу
успешной, если выполняются следующие правила:
источник после передачи очередного сообщения получает
подтверждение о приеме сообщения хотя бы от одного КмУ;
КмУ, получивший сообщение, хранит его, пока не будет
установлено соединение с любым коммутационным узлом (кроме
того, от которого это сообщение получено) или пока не пройдет
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
74
определенное время до ожидаемого момента вхождения в контакт
с любым коммутационным узлом. КмУ – хранитель сообщения
передает его и получает подтверждение о приеме;
приемник, получивший сообщение от одного из ближайших к
нему КУ, в свою очередь, высылает подтверждение о получении;
если на любом из промежуточных этапов прохождения
сообщения по сети подтверждение i -м узлом
1,2, , ,i j M M N не получено в течение заданного
времени, передача сообщения i -м узлом повторяется.
sn sw1
sw2
sw3 swi
swj
swj,N-1
sw,N
dn
Рис. 3.15. Схема последовательных передач сообщений с
промежуточными подтверждениями
Считая законы распределения сигнала и шума взаимно
независимыми, используем для поиска закона распределения
суммы сигнала и шума формулу композиции законов
распределения 7.
Пусть входной сигнал представляет собой аддитивную смесь
полезного сигнала и шума:
y t s t n t .
Дисперсия сигнала âû õy : 22 0
âû õ 0 0 22
c
Ns t t dt N E
.
Вероятность обнаружения
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
75
ï ï
2
âû õ 0
âû õ
0 00 0
10 exp
2 22 2d
y y
y aEP w y s dy dy
N EN E
.(3.6)
Интеграл в правой части (6) является табулированной функцией –
интегралом вероятности x 7. Соответственно, вероятности
обнаружения dP и ложной тревоги fP можно записать в виде
ï 0 01 2 2dP y N E R
02R E N ; (3.7)
ï 0 01 2 2fP y N E
, (3.8)
где 2
0 0E s t t dt
– энергия "опорного" сигнала, который
определяется видом передаваемого сигнала.
С учетом теоретического материала, в частности, выражений
(1 – 8), разработана методика расчета дальности связи в свободном
пространстве.
1. Пусть имеется передатчик мощностью P с изотропным
излучателем. Электромагнитное поле излучается по сфере
радиусом r . Тогда плотность потока мощности на единицу
поверхности сферы определяется следующим выражением:
0 24
P
r
. (3.9)
2. Если энергия сигнала, генерируемого передатчиком,
излучается в пространство через антенну с коэффициентом
усиления G , то
24G
P G
r
. (3.10)
3. Мощность сигнала на входе приемника, который находится
на дальности r , равна
ýô ô
ï ðì ýô ô 24G
P G AP A
r
. (3.11)
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
76
4. С учетом соотношения 2
ýô ô4
GA
, где – длина волны
излучаемого сигнала, можно записать (11) в следующем виде:
2
ï ðì
ï ðì 24
P G GP
r
. (3.12)
5. Для учета влияния внутренних шумов и внешних помех
введем понятие "эквивалентный уровень шума на входе
приемника". Выразим его через коэффициент шума øk :
ï ðì
ø
ï ðì ø 0
BP k T fk
P N
, (3.13)
где 231,38 10Bk (Вт/Гц)К – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура источника излучения, К;
f – эквивалентная шумовая полоса пропускания
приемника; ï ðì øP N – отношение мощности сигнала, вычисленной
по формуле (12), к мощности шума, приведенной ко входу
приемника.
6. Примем 0 290 KT . Тогда
ï ðì
ï ðì ø ø0øB
PP N k
k T f k
. (3.14)
7. Из уравнения (14) получим
ø øBN k T f k . (3.15)
8. Объединяя уравнение (12) с уравнением (15) и вводя
множитель потерь sL для системы связи в целом, получим
уравнение дальности связи в простой и удобной форме:
2
ï ðì ï ðì
2
ø 0 ø4 B s
P P G G
N r k T f k L
. (3.16)
Видно, что отношение сигнал/шум на входе приемника обратно
пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и
приемником. На рис. 3.16 изображены графики зависимости
вероятности обнаружения от квадрата дальности для сигнала с
гауссовским распределением и сигнала с распределением Парето.
Для наглядности те же графики изображены на рис. 3.17 в
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
77
логарифмической шкале. Видно, что при увеличении дальности
вероятность обнаружения сигнала с распределением Парето
убывает медленнее, чем сигнала с нормальным (гауссовским)
распределением. Из-за такой специфической особенности
вероятностных распределений самоподобного трафика их часто
называю распределениями с "тяжелыми хвостами" (heavy-tale
distributions).
Введем нормированную дальность 0,5
norm maxr r r m .
Величина normr может рассматриваться как коэффициент,
учитывающий уменьшение дальности связи по сравнению с
максимальной вследствие вероятностного характера процесса
связи.
0
0.25
0.5
0.75
1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
Pr(2;2) Pr(2;2) Square Pareto
Pd
rнорм
Рис. 3.16. Зависимости вероятности обнаружения от
квадрата нормализованной дальности. Отношение
сигнал/шум по мощности равно 4
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
78
Целью работы является исследование зависимости
вероятности доставки сообщения от числа recm коммутационных
узлов, которые принимают сообщение и пересылают его дальше.
1.E-15
1.E-13
1.E-11
1.E-09
1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
Pr(2;2) Pr(2;2) Square Pareto
Pd rнорм
Рис. 3.17. Зависимости вероятности обнаружения от квадрата
нормализованной дальности (логарифмическая шкала).
Отношение сигнал/шум по мощности равно 4
Исходные данные для работы.
1. Вероятность доставки сообщения – не менее 0,9.
2. Нормированная дальность – от 1 до 2,5.
3. Отношение сигнал/шум – от 10 до 20 дБВт.
4. Коэффициенты усиления передающей и приемной антенн –
от 10 до 20.
Используя приведенные выше формулы, уравнения и
графики, необходимо рассчитать потребную мощность
передающих устройств, число и чувствительность приемных
устройств, при которых обеспечивается требуемая вероятность
доставки сообщений.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
79
В выводах по работе необходимо обосновать результаты
теоретических расчетов. Можно использовать онлайн-калькулятор
для вычислений в теории вероятностей
http://portal.tpu.ru/SHARED/k/KONVAL/Sites/Russian_sites/calc_set/
01-4.htm#
Требования к содержанию отчета
Отчет должен включать:
– цели и программу проведения разработок и исследований;
– исследуемые конфигурации сетей с толерантностью к
задержкам и выбранные временные и энергетические
характеристики;
– особенности проведения эксперимента (число компьютеров,
объем накопленной информации, статистические характеристики
трафика и пр.);
– результаты оценки вероятностных характеристик,
представленные в виде таблиц и графиков:
а) экранные формы инструментального средства Wireshark;
б) минимальное, среднее и максимальное значение расхода
энергии для достижения требуемой вероятности обнаружения для
выбранного числа приемных коммутационных узлов в каждом
примере расчета;
– результаты анализа и выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Объясните особенности протокола Bundle доступа к среде
передачи в сетях DTN. В чем отличие протокола Bundle,
используемого в сетях DTN, от протоколов TCP/IP?
2. Какие механизмы используются в технологии хранения-
пересылки специализированных сетей с толерантностью к
задержкам для гарантированной доставки сообщений? Поясните
их принципиальную разницу и назначение.
3. Какие задержки передачи возникают в беспроводных сетях
наземного и космического базирования? От чего зависит расход
энергии коммутационных узлов?
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
80
4. Что такое пропускная способность? Переведите и поясните
взаимосвязь между терминами: performance, latency, throughput, bit
rate, bandwidth, noise bandwidth.
5. Каким образом рассчитать дальность системы космической
связи?
6. Каким образом скорость передачи зависит от отношения
сигнал/шум и полосы пропускания системы связи?
7. Какими способами можно обеспечить пропускную
способность канала связи? Какой из этих способов более
эффективен для экономии энергии?
8. Каким образом на задержки доставки сообщений оказывает
влияние перемещения сетевых коммутационных узлов?
3.2. Тенденции развития информационно-
коммуникационных и компьютерных сетей с толерантностью
к задержкам и ограничениями энергоресурса
В структуре курса предусмотрен семинар на тему:
«Тенденции развития информационно-коммуникационных и
компьютерных сетей с толерантностью к задержкам и
ограничениями энергоресурса». В ходе семинара выполняется
анализ современных и перспективных разработок в области
специализированных коммуникационных сетей.
Цель семинара
Приобретение знаний и практических навыков по подготовке
и презентации выполненного проекта (реферата, аналитического
обзора, разработки) по вопросам современных подходов к
созданию высокоскоростных и энергоэффективных беспроводных
компьютерных сетей.
Подготовка к семинару
1. Получение (определение) темы работы (реферата
аналитического обзора, разработки) и уточнение задач.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
81
Темы работ могут формироваться обучаемыми
самостоятельно и согласовываться с руководителями, исходя из
ориентировочного перечня:
– энергоэффективность беспроводных компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам; показатели оценки и методы
обеспечения;
– влияние беспроводных компьютерных сетей на
окружающую среду; электромагнитное загрязнение окружающей
среды;
– анализ проблем больших задержек доставки сетей DTN и
подходы к их решению;
– инструменты построения и анализа энергоэффективности
сетей DTN;
– характеристики антенных систем сетей DTN и их влияние на
вероятность доставки сообщений;
– технологические особенности антенн дальней космической
связи.
2. Разработка плана работ и распределение
ответственности между участниками целевой группы. План
работ может быть представлен в виде диаграммы Ганта,
включающей основные мероприятия, сроки и распределение
ответственности между участниками целевой группы.
Целевая группа состоит из 3 человек. Примерный ресурс
времени на подготовку 93=27 часов (+ 15 мин презентации).
Распределение ответственности определяют участники группы.
3. Поиск информации по теме работы (библиотека,
Интернет) и ее предварительный анализ.
Англоязычные термины даны для удобства поиска
информации в Интернет. Возможно представление реферата и
презентации на английском языке, что повысит оценку за семинар.
Поиск информации осуществляется по ключевым словам,
приведенным в пункте 1.
Методические указания и список рекомендуемой литературы
к рефератам выдаются индивидуально (по группам).
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
82
4. Разработка плана отчета и презентации проекта. План отчета (и презентации) включает подготовку следующих
разделов:
– введение (актуальность, вызовы практики, краткий анализ
состояния вопроса – литературы, цель и основные задачи
реферата, структура и характеристика содержания, план работ и
распределение ответственности);
– систематизированное изложение основных частей реферата
(классификационные схемы, характеристика моделей, методов,
средств, технологий по группам, выбор показателей и критериев
для оценки, сравнительный анализ);
– выводы (констатация достижения поставленной цели,
основные теоретические и практические результаты, их
значимость, направления дальнейших работ);
– список литературы;
– приложения.
5. Написание отчета. Отчет имеет объем 15-20 страниц
формата А4 (шрифт 14, интервал полуторный, поля 2 см), включая
титульный лист, содержание, основной текст, литература,
приложения. Рефераты, подготовленные путем простой
компиляции материалов из Интернета, без тщательного
структурирования, с некорректной терминологией и без выводов
не рассматриваются.
Обязательным приложением к реферату является план работ и
распределение ответственности (диаграмма Ганта),
презентационные слайды и электронный вариант всех материалов.
6. Подготовка презентации. Презентация разрабатывается
в PowerPoint и соответствует плану реферата (10 – 15 слайдов),
исходя из времени на презентацию 10 мин.
Презентация должна включать следующие слайды:
– титульный слайд (с указанием темы доклада, автора, даты
презентации);
– содержание (структура) доклада;
– актуальность рассматриваемых вопросов, цель и задачи
доклада исходя из этого анализа;
– слайды с раскрытием содержания поставленных задач;
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
83
– выводы по докладу;
– список использованных источников.
Каждый из слайдов должен содержать колонтитул с указанием
темы и авторов доклада.
Содержание слайдов не должно представлять собой части
текста из отчета, а включать ключевые слова, рисунки, формулы.
Подача информации может быть динамической.
Защита работы
Защита работы осуществляется на семинаре. Время – 15 мин.
Включает доклад с презентацией (10 мин) и обсуждение (5 мин).
Оценка работы
При оценке выполненной работы учитываются качество текста
отчета (форма и содержание), презентации (содержание и дизайн),
доклад (структура, содержание и выводы), полнота, глубина и
правильность ответов на вопросы, точность и достоверность
полученных количественных результатов, правильность
использования теоретического материала.
Оценка за выполненную работу выставляется каждому
обучаемому из группы авторов доклада индивидуально в
соответствии с результатами и распределением ответственности.
Литература
1. Зеленая ИТ-инженерия. Т. 1: Принципы, модели,
компоненты. / В. С. Харченко и др.; под ред. В. С. Харченко. –
Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского "ХАИ", 2014. –
629 c.
2. Зеленая ИТ-инженерия. Т. 2: Системы, индустрия, социум. /
В. С. Харченко и др.; под ред. В. С. Харченко. – Харьков: Нац.
аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского "ХАИ", 2014. – 687 c.
3. Andrew S. Tanenbaum, Maarten van Steen. Distributed systems:
principles and paradigms. – Pearson Prentice Hall, 2007. - 686 р.
4. Tanenbaum A.S. Computer Networks, 5th Ed. / Andrew S.
Tanenbaum, David J. Wetherall. – Prentice Hall, Cloth, 2011. – 960 p.
5. Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е изд. –
СПб.: Питер, 2003. – 783 с.
3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с
толерантностью к задержкам
84
6. Петров В.В. Структура телетрафика и алгоритм обеспечения
качества обслуживания при влиянии эффекта самоподобия: Дисс.
… канд. техн. наук: 05.12.13 – Системы, сети и устройства
телекоммуникаций / Московский энергетический институт
(Технический университет). – М., 2004. – 199 с.
7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1969. –
576с.
8. Advances in Delay-Tolerant Networks (DTNs): Architecture and
Enhanced Performance / J.J.P.C. Rodrigues (Ed.) – Elsevier,
Cambridge, 2015. – 298 р.
9. Green IT: Technologies and Applications / Jae H. Kim and
Myung J. Lee (Eds.). – Springer, Berlin, 2011. - 443 p.
10. Handbook of Green Information and Communication Systems,
1st Edition. / Mohammad Obaidat, Alagan Anpalagan, Isaac Woungang
(Eds.)/ - Elsevier/Academic Press, Amsterdam, Boston, 2013. – 816р.
11. Green Communications and Networking / F. Richard Yu, Xi
Zhang, Victor C.M. Leung. - CRC Press, 2012. - 399р.
12. Mahendran V., Praveen T., Murthy C. S. R. Impact of Persistent
Storage on the DTN Routing Performance // L. Bononi et al. (Eds.):
ICDCN 2012, LNCS 7129. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 -
Р.513–524.
13. Cao Y., Cruickshank H., Sun Z. Asymmetric Spray and Multi-
forwarding for Delay Tolerant Networks // G. Giambene and C. Sacchi
(Eds.): PSATS 2011, LNICST 71. – Institute for Computer Sciences,
Social Informatics and Telecommunications Engineering. - 2011 -
Р.199–212.
14. Yu Y., Chen X. Research on Custody Transfer Service in Delay
Tolerant Network // Journal of networks, Vol. 8, No. 8, Aug.2013. –
P.1713 - 1719.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
85
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ДЛЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ
Современные green-микроконтроллеры представляют собой
эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и
процессов. Они широко используются для создания систем по
обработке сигналов, сбору данных, выполнению функций
обработки и управления в промышленных, медицинских,
пользовательских, автомобильных электронных устройствах и
контрольно-измерительных приборах. При этом разработка
эффективного «зеленого» программного обеспечения является
центральным моментом общего процесса проектирования. Центр
тяжести функциональных свойств современных цифровых систем
находится именно в программных средствах.
Аппаратной платформой для тестирования и отладки
программного обеспечения энергоэффективных
микроконтроллеров стал специализированный лабораторный
стенд на базе MSP430, разработанный авторами главы.
Большинство технических решений, реализованных в стенде,
прошли натурные испытания в составе системы управления
электропитанием магнитных элементов линейного ускорителя
электронов ЛУ-40 [1]. Так, например, в состав стенда был включен
последовательный интерфейс для подключения оптической линии
связи, схемы опроса клавиатуры и управления светодиодными
индикаторами. Для расширения функциональных возможностей
разрабатываемого программного обеспечения в состав стенда
были включены дополнительные модули и разнообразные
датчики.
Применение лабораторного стенда возможно в различных
областях, требующих автоматизации процесса сбора, обработки
данных, дистанционного управления. Подсистема датчиков,
представленная датчиками температуры, влажности,
освещенности, тока расширяет сферы применения стенда, он
может быть использован для контроля климатических параметров
производственных процессов. Реализованные преобразователи
USB-COM, драйверы оптической линии связи, ZigBee-модуль на
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
86
базе CC2430/CC2431, интерфейс для подключения к Ethernet на
базе микросхем от WIZnet (W3100, W3150), обеспечивают обмен
данными, удаленный контроль и управление устройством по
различным протоколам.
В стенде присутствуют: знакосинтезирующий ЖКИ, который
используется для организации вывода текущей информации
непосредственно на объекте в реальном времени; клавиатура
может использоваться для управления устройством; flash-память
объемом 2 Мб дает возможность хранить, например, показания
датчиков, или исходные данные для выполнения действий –
генерации цифровых и аналоговых сигналов, управления другими
устройствами по заданной программе, выдачу статической и
динамической информации в качестве Web-сервера и так далее.
4.1 Аппаратная платформа для разработки программного
обеспечения на базе микроконтроллера MSP430F1611
Лабораторный стенд (рис. 4.1) реализован на базе
микроконтроллера MSP430F1611 производства компании Texas
Instruments.
Рис. 4.1. Лабораторный стенд и JTAG-программатор
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
87
Он включает в себя следующие функциональные элементы:
– микроконтроллер MSP430F1611;
– USB-интерфейс (FT232RL);
– датчик температуры (TMP275);
– датчик освещенности (TSL2561T);
– датчик влажности (HIH-4000-003);
– датчик тока (INA139); резистивный датчик;
– драйверы оптической линии связи (HFBR-2522 и HFBR-
1522);
– 8 светодиодов;
– сетевой модуль для подключения к ЛВС Ethernet 10/100Base
T (IIM7010A);
– 16 Мбит flash-память (AT45DB161B);
– аналоговые входы/выходы (микрофонный вход, 2 линейных
входа, 2 выхода ЦАП);
– клавиатуру 3x4 (AK-304-N-BBW);
– LCD индикатор (WH1602A-NGG-CT);
– трансивер стандарта ZigBee для построения беспроводных
сетей (PSIS2430);
– динамик, подключенный к ЦАП, через усилитель мощности;
– схему для измерения сопротивления.
Структурная схема лабораторного стенда представлена на рис.4.2.
Функции управления и синхронизации выполняет
микроконтроллер, который работает под управлением программы,
хранящейся во flash-памяти.
В задачи микроконтроллера входит прием и обработка данных,
поступающих от ПЭВМ, управление режимом работы цифро-
аналогового преобразователя (ЦАП) и аналого-цифрового
преобразователя (АЦП), обмен данными через локальную сеть
Ethernet или беспроводную сеть стандарта ZigBee.
Согласование электрических уровней сигналов между ПЭВМ и
стендом обеспечивает преобразователь уровней из КМОП-уровней
в уровни стандарта USB.
Двенадцати разрядный ЦАП обеспечивает формирование
выходного напряжения, пропорционального коду, а
подключенный к усилителю мощности динамик позволяет
формировать звуковые сигналы. Наличие микрофонного входа и
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
88
flash-памяти позволяет построить на базе стенда цифровой
магнитофон.
Схема
измерения
сопротивления
Аналоговый
вход
Аналоговый
вход
Датчик
температуры
Датчик
освещенности
Датчик
влажности
JTAG
500мВ
1В
MSP430F1611
АЦП
Коммутатор USB
HFBR
1522/2522
Регистр I2C
PCА9538
Регистр I2C
PCА9538
Клавиатура 3×4
Светодиодный
индикатор
ZigBee
трансивер
Усилитель
мощности
UART
I2C
SPI
ЦАП
Аналоговый
выход
Волоконно-
оптическая
линия связи
к компаратору
I2C
I2C
АЦП
LDO
Датчик токаАЦП
VCC
к ПЭВМ
JTAG
FLASH Преобразо
ватель
уровней
Ethernet
модуль
SPI
ЖКИ
RJ45SPI
I2C
Рис. 4.2. Структурная схема лабораторного стенда
Клавиатура 3х4 подключается к микроконтроллеру через
последовательный регистр PCA9538, что позволяет сократить
число линий для обмена данными с микроконтроллером и
значительно упростить программу обработки дребезга контактов
за счет использования сигналов прерываний от регистра, которые
генерируются в момент изменения входных сигналов.
Светодиодные индикаторы также подключаются к
контроллеру через последовательные регистры для сокращения
числа необходимых линий ввода/вывода.
Разнообразные датчики, установленные в стенде, позволяют
реализовать на нем систему сбора и обработки информации.
JTAG-интерфейс позволяет выполнять внутрисхемное
программирование контроллера, отлаживать программы в
реальном устройстве с оперативным доступом ко всем регистрам и
периферийным модулям контроллера.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
89
ZigBee трансивер обеспечивает возможность построения
беспроводных сетей со скорость передачи до 250 кБод.
Коммутатор предназначен для выбора последовательно
интерфейса (USB или волоконно-оптическая линия связи).
Блок питания (LDO) обеспечивает все напряжения,
необходимые для работы схемы.
Особенностью стенда является отсутствие внешнего
источника питания (питание осуществляется от USB-порта),
контроль тока потребления и возможность программирования по
USB через BSL-загрузчик без использования JTAG
программатора.
4.2 Изучение принципов программного управления
обменом данными по последовательному интерфейсу I2C в
энергоэффективных микроконтроллерных системах
Цель и задачи тренинга.
Целью тренинга является изучение принципов программного
управления двунаправленным обменом данных по
последовательному интерфейсу I2C; получение практических
навыков и умений при проектировании программного обеспечения
для зеленых систем.
Учебные задачи:
– изучение новой теории и методики создания программного
обеспечения энергоэффективных микроконтроллерных систем;
– изучение способов организации обмена данными по
последовательному интерфейсу I2C.
Практические задачи:
– получение навыков работы в инструментальной среде IAR
Embedded Workbench или Code Composer Studio;
– подготовка исходного модуля программы обмена данными
между микроконтроллером MSP430F1611 с регистрами PCA9538
по интерфейсу I2C в соответствие с индивидуальным заданием;
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
90
– сравнение тока потребления микроконтроллерной системы
при программном поллинге клавиатуры и при организации опроса
клавиатуры по прерываниям.
Подготовка к практикуму
При подготовке к работе необходимо:
– уяснить цели и задачи работы;
– изучить теоретический материал, приведенный в данном
руководстве, а также в работах [2] и [3]. Для более углубленного
изучения рекомендуются работы [4,6], а также [5,7];
– установить инструментальную систему IAR Embedded
Workbench или Code Composer Studio;
– ознакомиться с основными возможностями и принципами
функционирования последовательного интерфейса I2C,
принципами программного управления двунаправленным обменом
данных по последовательному интерфейсу I2C.
Далее излагается теоретический материал, описываются
используемые программно-аппаратные средства и программа
практикума.
4.2.1 Система тактирования
В значительной степени энергопотребление
микроконтроллера зависит от системы синхронизации. Устройства
могут входить в режим пониженного энергопотребления и
выходить из него от нескольких раз до нескольких сотен раз в
секунду. Система тактирования микроконтроллеров серии MSP430
разработана специально для применения в устройствах с
батарейным питанием. [1] Низкочастотный вспомогательный
тактовый сигнал ACLK формируется обычным «часовым»
кварцем частотой 32 кГц. Сигнал ACLK может использоваться для
периодического «пробуждения» часов реального времени,
работающих в фоновом режиме. Встроенный высокочастотный
генератор с цифровым управлением (DCO) может формировать
основной тактовый сигнал (MCLK), используемый ЦПУ и
быстродействующими периферийными модулями. Время
пробуждения этого генератора и перехода в стационарный режим
составляет менее 1 мкс при частоте 1 МГц.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
91
Решения на базе микроконтроллеров MSP430 эффективно
используют высокопроизводительное 16-битное RISC ЦПУ в
течение очень коротких интервалов времени, а именно:
– низкочастотный вспомогательный тактовый сигнал
используется для реализации режима ожидания со сверхнизким
потреблением;
– высокочастотный основной тактовый сигнал используется
для эффективной обработки сигналов.
4.2.2 Режимы пониженного энергопотребления
Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют пять режимов
пониженного потребления. В режиме Low-power mode zero (LPM0)
отключается вычислительное ядро, но все остальные функции
остаются активными. В режимах LPM1 и LPM2 в список
отключенных функций добавляются различные функции
синхронизации. LPM3 – наиболее часто используемый режим
пониженного энергопотребления, в котором остается активным
только низкочастотный автогенератор и все периферийные
устройства, использующие для работы синхросигналы этого
автогенератора. LPM3 часто применяется для работы в
прерывистом режиме, когда низкочастотный генератор
используется в качестве часов реального времени ввиду того, что
он работает от кварцевого резонатора частотой 32768 Гц и
потребляет менее 1 мкА. В режиме LPM4 выключаются все
встроенные задающие генераторы, что приводит к
автоматическому отключению всех синхронных периферийных
устройств. В этом режиме аналоговые периферийные устройства
могут оставаться в активном режиме, но если отключить и их, то
микроконтроллер (даже осуществляя регенерацию ОЗУ) будет
потреблять всего 100 нА.
4.2.3 Обработка прерываний
Прерывания способны вывести микроконтроллер из режима
пониженного потребления, поэтому, чем большее количество
прерываний используется, тем более гибко микроконтроллер
обеспечивает снижение общего потребления. Опрос состояний
выводов и периферийных устройств неизбежно приведет к
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
92
повышению потребления, поскольку это потребует
дополнительного времени пребывания микроконтроллера в
активном режиме.
Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют обработчик
прерываний от 16 линий портов ввода/вывода общего назначения,
а также от всех периферийных устройств. Некоторые
периферийные устройства, для обеспечения большей гибкости
имеют несколько прерываний.
4.2.4 Интеллектуальные периферийные модули
Микроконтроллеры семейства MSP430 разрабатывались как
низкопотребляющие, и поэтому их периферийные модули также
имеют низкое потребление. Если АЦП MSP430 не выполняет
преобразования, то оно не потребляет тока, блокируя встроенный
задающий генератор и цифровую схему обработки. Перед началом
преобразования модуль автоматически включается или
перезапускается. Кроме того, периферийные устройства могут
управляться прерываниями от других периферийных устройств.
Например, АЦП микроконтроллеров семейства MSP430 может
быть запущен таймером «Timer_A» или «Timer_B», что позволяет
синхронизировать выборки АЦП и выполнять их без
использования вычислительной мощности ядра.
Некоторые микроконтроллеры семейства MSP430 имеют
функцию прямого доступа к памяти (DMA), которая позволяет
автоматически обрабатывать данные без вмешательства
вычислительного ядра. Использование контроллера DMA
позволяет не только увеличить скорость обработки данных, но, что
еще более важно, и снизить потребляемую мощность.
Управление синхронизацией периферийных модулей – другая
важная характеристика, которая позволяет снизить средний ток
потребления системы. Так I2C модуль микроконтроллеров
семейства MSP430 имеет непосредственное управление системой
синхронизации, таким образом, если I2C модулю нужны
синхросигналы, то он автоматически активизирует задающий
генератор. Это также позволяет вычислительному ядру оставаться
отключенным, в то время как имеется возможность декодировать
I2C адрес.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
93
4.2.5 Конфигурация последовательного интерфейса для
работы в режиме I2C
Универсальный синхронно/асинхронный приемопередающий
(USART) периферийный интерфейс поддерживает связь по I2C в
модулях USART0 микрокотнроллеров MSP430x15x и MSP430x16x
(рис. 4.3 [2]).
Рис.4.3. USART0 в режиме I2C
Модуль I2C поддерживает любые ведущие и ведомые
устройства, совместимые с I2C. На рис.4.4 [2] показан пример
шины I2C. Каждое устройство обладает уникальным адресом и
может работать и как передатчик и как приемник. Ведущий
инициирует передачу данных и генерирует тактовый сигнал SCL.
Любое устройство, адресованное ведущим, рассматривается как
ведомое.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
94
Рис. 4.4. Схема подключений на шине I2C
При передаче каждого бита ведущим устройством
генерируется один тактовый импульс. Модуль I2C работает с
данными побайтно. Сначала перемещается старший значащий
разряд.
Первый, после условия «СТАРТ», байт состоит из адреса
ведомого и бита R/W . Когда R/W 0 , ведущий передает данные
ведомому. Когда R/W 1 , ведущее устройство принимает данные
от ведомого. Бит ACK посылается приемником после каждого
байта на 9-ом такте SCL как подтверждение принятых данных.
Данные на SDA должны быть неизменны в течение периода
высокого уровня SCL. Высокий и низкий уровень SDA может
изменяться, только когда SCL имеет низкий уровень, в противном
случае будет сгенерировано условие «старт» или «стоп».
Модуль I2C поддерживает 7-разрядный и 10-разрядный
режимы адресации [2]. В 7-разрядном формате адресации (рис.
3.5), первый байт – это 7-разрядный адрес ведомого и бит R/W .
Бит ACK посылается приемником после каждого байта.
В 10-разрядном адресном формате (рис. 4.6), первый байт
содержит 11110b и дополнительно два старших бита 10-
разрядного адреса ведомого и бит R/W . Следующий байт
содержит оставшиеся восемь бит 10-разрядного адреса ведомого,
завершающиеся битом ACK, за которыми следуют байты данных.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
95
Рис.3.5. 7-разрядный формат модуля I2C
Рис.4.6. 10-разрядный адресный формат модуля I2C
4.2.6 Конфигурирование USART для функционирования I2C
Контроллер I2C является частью периферии USART. Для
работы в режимах SPI или I2C необходимо установить бит SYNC.
Установка бита I2C, при SYNC=1 приводит к выбору режима I2C.
Биты SYNC и I2C могут быть установлены вместе в одной
команде для выбора режима I2C в модуле USART0.
После инициализации модуль I2C готов для выполнения
операций передачи и приема. Очистка I2CEN прекращает работу
модуля.
4.2.7 Прерывания I2C
Флаги прерывания I2C разделены по приоритетам и
объединены в источник одного вектора прерывания. Регистр
вектора прерывания I2CIV используется для определения, какой
флаг запросил прерывание. Разрешенное прерывание с наивысшим
приоритетом генерирует число в регистре I2CIV, и используется
для автоматического перехода к соответствующей процедуре
обработки. Запрещенные I2C прерывания не воздействуют на
содержимое I2CIV. При любом доступе (чтение или запись) к
регистру I2CIV автоматически сбрасывается флаг ожидающего
прерывания с наивысшим приоритетом.
Если устанавливается другой флаг прерывания, после
обработки начального прерывания немедленно генерируется
другое прерывание.
Форматы управляющих регистров модуля I2C приведены в [2]
стр. 285-295.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
96
4.2.8 Описание лабораторной установки
Для обеспечения возможности ручного управления
микроконтроллерным стендом в его состав включена клавиатура
3х4 (AK-304-N-BBW), которая подключена через регистр
PCA9538 к шине I2C.
PCA9538 – это 8-разрядный регистр ввода/вывода для
последовательной двухпроводной шины данных I2C, с рабочим
диапазоном напряжением питания от 2,3В до 5,5В. Он
обеспечивает общие функции ввода/вывода для большинства
типов микроконтроллеров через интерфейс I2C (сигнал
тактирования SCL и сигнал данных SDA).
Адрес регистра на шине I2C определяется пятью
фиксированными старшими разрядами – 11100, и двумя
адресными линиями A0 и A1, которые для управляющего
клавиатурой регистра подключены к шине питания, поэтому адрес
регистра на шине I2C – 73h (1110011).
Формат обмена данными между ЦП и последовательным
регистром по протоколу I2C изображен на рис. 4.7.
S
1
Адрес ведомого, 73h
7
Wr
1
Номер регистра (1-3)
8
A
1
A
1
Байт данных
8
A
1
P
1
Запись данных в регистр по протоколу I2C:
S
1
Адрес ведомого, 73h
7
Wr
1
Номер регистра (0-3)
8
A
1
A
1
Байт данных 1
8
A
1
...
Байт данных N
8
A
1
P
1
...Байт данных 2
8
A
1
Чтение данных из регистра по протоколу I2C:
Sr
1
Адрес ведомого, 73h
7
Rd
1
A
1
A Подтверждение приема
P Условие «СТОП»
S Условие «СТАРТ»
Wr Флаг передачи данных от ЦП (разряд = 0)
Sr Повторное условие «СТАРТ»
Rd Флаг передачи данных от регистра (разряд = 1)
Направление передачи – от ЦП к регистру
Направление передачи – от регистра к ЦП
Условные обозначения:
Рис. 4.7. Формат обмена данными между ЦП и регистром I2C
Условия «СТАРТ» и «СТОП» генерируются ведущим
устройством – центральным процессором (ЦП). Первый после
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
97
условия «СТАРТ» байт состоит из 7-ми разрядного адреса
устройства (73h) и бита /R W . При /R W =0, ЦП передает данные
регистру, а когда /R W =1, то ЦП принимает данные от регистра.
Бит ACK посылается приемником после каждого байта на 9-ом
такте SCL. Два младших разряда второго байта (B1, B0) указывают
номер внутреннего регистра PCA9538, к которому идет
обращение. В третьем байте передаются непосредственно данные.
В конце обмена данными ЦП генерирует условие «СТОП».
В табл. 4.1 отображен список внутренних управляющих
регистров микросхемы PCA9538.
Таблица 4.1. Управляющие регистры микросхемы PCA9538
Разряд Байт
команды Регистр Протокол
Значение по
умолчанию B1 B0
0 0 0x00 Input port Чтение xxxx xxxx
0 1 0x01 Output port Чтение/запись 1111 1111
1 0 0x02 Polarity
Inversion Чтение/запись 0000 0000
1 1 0x03 Configuration Чтение/запись 1111 1111
Регистр ввода (Input port, 0x00) отражает поступающие
логические уровни на ножках ввода-вывода P0-P7. Он доступен
только для чтения.
Регистр вывода (Output port, 0x01) задает выходные уровни
напряжения на выводах, направление которых определено на
вывод регистром конфигурации. Выводы, которые настроены на
ввод, не изменят своего состояния.
Регистр инверсии полярности (Polarity Inversion, 0x02)
инвертирует значения сигналов на выводах, настроенных на ввод.
Если разряд в этом регистре установлен в 1, соответствующий
входной сигнал проинвертирован, если сброшен – сигнал не
изменит свою полярность.
Регистр конфигурации (Configuration, 0x03) задает
направление выводов P0-P7. Если разряд в этом регистре
установлен в 1, то направление соответствующего вывода
настраивается на ввод, а если сброшен в 0 – на вывод.
Для опроса клавиатуры разряды P4…P6 регистра необходимо
настроить на режим вывода, так как они будут стробировать
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
98
столбцы, а оставшиеся разряды P0…P3 – на ввод, они будут
реагировать на нажатие клавиши в столбце, выбранном разрядами
P4…P6. (рис. 4.8).
“1” “2” “3”
“4” “5” “6”
“7” “8” “9”
“*” “0” “#”
P0
P1
P2
P3
P4 P5 P6 Рис. 4.8. Пример опроса клавиатуры
Программный опрос клавиатуры выполняется следующим
образом: в цикле последовательно на один из разрядов P4…P6
подается сигнал низкого уровня, затем опрашиваются разряды
P0…P3 на предмет появления сигнала низкого уровня, что будет
означать нажатие кнопки в выбранном столбце и строке. На
рис. 4.9 показаны временные диаграммы опроса клавиатуры в
момент нажатия кнопки «8». На разряд P5 подается низкий
уровень, и при опросе разрядов P0…P3, в разряде P2
обнаруживается низкий уровень, что означает нажатие кнопки во
втором столбце третьей строки, что соответствует клавише «8».
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
99
P6
P5
P4
P3
P2
P1
P0
Строб 1-го столбца P4 Строб 2-го столбца P5 Строб 3-го столбца P6
Ни одна кнопка в
строках P0-P3 не нажата
Ни одна кнопка в
строках P0-P3 не нажата
Нажата кнопка в
третьей строке (P2)
Рис. 4.9. Временные диаграммы при программном опросе
клавиатуры
С точки зрения энергопотребления программный поллинг
клавиатуры является неэффективным, т.к. в этом случае требуется
постоянная активность ядра процессора. Лучшим способом
является реакция на нажатие клавиш клавиатуры по прерываниям.
Для этого задействуются аппаратно-реализованные функции как
микроконтроллера MSP430, так и последовательного регистра
PCA9538. Как и в случае с программным опросом, разряды P4…P6
регистра PCA9538 настраиваются на вывод, а разряды P0…P3 – на
ввод. Однако, сканирование столбцов («бегущий ноль») не
осуществляется. Вместо этого на все линии P4…P6 подается
низкий уровень, а вывод INT (сигнал _ 1INT RG ) настраивается
на формирование запроса прерывания при изменении сигналов на
входных линиях строк P0…P3. В результате ядро процессора
может находиться в режиме пониженного потребления, пока не
поступит сигнал запроса прерывания. В обработчике этого
прерывания процессор организует опрос состояния сигналов на
линиях строк, дешифрирует код нажатой клавиши и вновь
переходит в режим пониженного энергопотребления.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
100
Принципиальная схема подключения клавиатуры при помощи
регистра PCA9538 показана на рис. 4.10, размещение клавиатуры
на плате стенда показано на рисунке 4.11.
KL0
KL2 INT_RG1
KL1 KL1
KL3
KL1
KL0
RST_RG1
KL3
KL2
VD2 LL4148
VD3 LL4148
KL3
KL2
KL0
VD4 LL4148
VD1 LL4148
KEY_A1
Slave address RG1 = 73hKEY_A0
KEY_A1
SCL
KEY_A2
KEY_A0
0.1uF
SDA
KEY_A2
KEY_A3
RST_RG1
KEY_A3
INT_RG1
DD9 PCA9538DW
"*"
"1"
"4"
"7"
"#"
"3"
"6"
"9"
"0"
"2"
"5"
"8"
AK-304-N-BBW
10kR39
10kR40
100kR36
100kR35
100kR37
100kR38
Рис. 4.10. Принципиальная схема подключения клавиатуры
Рис. 4.11. Размещение клавиатуры на плате стенда
Подключение светодиодного индикатора. Индикатор из
восьми светодиодов подключен через последовательный регистр
PCA9538 к шине I2C. Адресные линии регистра PCA9538,
управляющего светодиодами, A0 и A1 подключены к общей шине,
поэтому адрес регистра при обращении к нему по шине I2C – 70h.
При записи в последовательный регистр 8-разрядного числа,
загораются или гаснут светодиоды, соответствующие номеру
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
101
разряда записанного числа (если в разряде 0 – светодиод гаснет,
если 1 – светится).
Принципиальная схема подключения светодиодного
индикатора изображена на рис.4.12, а размещение на плате –
рис.4.13.
Рис.4.12. Принципиальная схема подключения светодиодного
индикатора
Рис. 4.13. Размещение светодиодного индикатора на плате
4.2.9 Программа исследований
Перед началом выполнения практической части лабораторной
работы проводится экспресс-контроль знаний по принципам
функционирования модулей USART в режиме I2C, входящих в
состав микроконтроллера MSP430, а также по протоколу обмена
данными по интерфейсу I2C. При подготовке к лабораторной
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
102
работе необходимо составить предварительный вариант листинга
программы, в соответствие с индивидуальным заданием.
Задание. Разработать в среде программирования IAR
Embedded Workbench или Code Composer Studio программу на
языке С, которая выполняет опрос клавиатуры лабораторного
стенда и выводит информацию о нажатых клавишах с помощью
блока светодиодов. Варианты индивидуальных заданий
представлены в таблице 4.2.
Порядок выполнения задания:
– включить лабораторный макет.
– запустить компилятор IAR Embedded Workbench или Code
Composer Studio.
– создать пустой проект.
– создать файл ресурса для кода программы и подключить его
к проекту.
– ввести код исходного модуля программы обмена данными
между микроконтроллером MSP430F1611 с регистрами PCA9538
по интерфейсу I2C соответствие с индивидуальным заданием,
приведенным в табл. 4.2.
– выполнить компиляцию исходного модуля программы и
устранить ошибки, полученные на данном этапе.
– настроить параметры программатора.
– создать загрузочный модуль программы и выполнить
программирование микроконтроллера.
Проверить работоспособность загруженной в
микроконтроллер программы и показать результаты работы
преподавателю.
В случае некорректной работы разработанной программы,
выполнить аппаратный сброс микроконтроллера, провести отладку
исходного модуля программы и заново проверить
функционирование программы.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
103
Таблица 4.2. Варианты индивидуальных заданий
№ Задание
1
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 1, 2 и *
матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при нажатии
клавиши #. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 10 кГц.
2
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 5, 7 и 9
матричной клавиатуры включением светодиодов 5, 6 и 7
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при нажатии
клавиши *. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 20 кГц.
3
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 4, 7 и 8
матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при
одновременном нажатии клавиш * и #. Частота тактовых импульсов
на линии SCL – 30 кГц.
4
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 1, 2 и 3
матричной клавиатуры включением светодиодов 4, 5 и 6
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при
одновременном нажатии клавиш * и #. Частота тактовых импульсов
на линии SCL – 40 кГц.
5
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 2, 5 и 9
матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при
одновременном нажатии клавиш * и #. Частота тактовых импульсов
на линии SCL – 50 кГц.
6
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 4, 8 и 9
матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при нажатии
клавиши *. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 60 кГц.
7
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 3, 7 и 0
матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при нажатии
клавиши #. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 70 кГц.
8
Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 5, 6 и 7
матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3
соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при
одновременном нажатии клавиш * и #. Частота тактовых импульсов
на линии SCL – 80 кГц.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
104
Требования к содержанию аналитического отчета
Отчет должен содержать:
– титульный лист;
– цель и программу проведения исследований;
– характеристики лабораторной вычислительной системы;
– исходный модуль разработанной программы;
– анализ полученных результатов и краткие выводы по
работе, в которых необходимо отразить особенности
использования встроенных в микроконтроллер модуля USART0
при реализации обмена данными по последовательному протоколу
I2C.
Контрольные вопросы и задания
1. Приведите алгоритм инициализации модуля USART
микроконтроллера MSP430F1611 для работы в режиме I2C.
2. Поясните принципы обмена данными по интерфейсу I2C.
3. В каком регистре хранится адрес ведомого?
4. Каким образом разрешается конфликтная ситуация,
возникающая при одновременной передаче данных по шине I2C от
нескольких ведущих?
5. Какие регистры используются для настройки параметров
передачи данных с помощью встроенного в микроконтроллер
MSP430F1611 блока USART, работающего в режиме I2C?
6. Какие сигналы прерываний могут генерироваться блоком
USART в режиме I2C?
7. Поясните формат кадра при обмене данных по интерфейсу
I2C.
8. Дайте оценку программного опроса клавиатуры и по
прерываниям с точки зрения энергопотребления.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
105
4.3. Разработка программного обеспечения для систем
сбора и обработки информации на базе зеленых
микроконтроллеров
Цель и задачи тренинга
Целью тренинга является изучение принципов
функционирования встроенного в green-микроконтроллер
MSP430F1611 АЦП и методики измерения относительной
влажности и потребляемого тока с помощью датчиков влажности
и тока; приобретение практических навыков и умений при
проектировании программного обеспечения для зеленых систем.
Учебные задачи:
– изучение новой теории и методики создания программного
обеспечения для систем сбора и обработки информации на базе
green-микроконтроллеров;
– изучение основных возможностей и принципов работы
АЦП, аналоговых датчиков физических величин (относительной
влажности и тока).
Практические задачи:
– получение навыков работы в инструментальной среде IAR
Embedded Workbench или Code Composer Studio;
– подготовка исходного модуля программы
конфигурирования встроенного АЦП для работы с аналоговыми
датчиками физических величин;
– проведение натурных экспериментов по измерению
показаний аналоговых датчиков.
Подготовка к работе
При подготовке к работе необходимо:
– уяснить цели и задачи работы;
– изучить теоретический материал, приведенный в данном
руководстве, а также в работах [2,8] и [5]. Для более углубленного
изучения рекомендуются работы [9,10], а также [7,11];
– установить инструментальную систему IAR Embedded
Workbench или Code Composer Studio;
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
106
– ознакомиться с основными возможностями и принципами
функционирования АЦП, изучить принципы работы датчиков
относительной влажности и тока.
Далее излагается теоретический материал, описываются
используемые программно-аппаратные средства и программа
практикума.
4.3.1 Двенадцатиразрядный АЦП12
В состав микроконтроллеров MSP430x13x, MSP430x14x, MSP430x15x, MSP430x16x и MSP430x26x входит 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Модуль АЦП12 обеспечивает быстрые 12-разрядные аналого-цифровые преобразования. Модуль имеет 12-разрядное ядро SAR, схему выборки, опорный генератор и буфер преобразования и управления объемом 16 слов. Буфер преобразования и управления позволяет получать и сохранять до 16 независимых выборок АЦП без вмешательства ЦПУ. Структурная схема АЦП12 показана на рис.4.14 [2].
Ядро АЦП преобразует аналоговый входной сигнал в 12-
разрядное цифровое представление и сохраняет результат в памяти
преобразований. Ядро использует два программируемых/
выбираемых уровня напряжения (VR+ и VR-) для задания верхнего
и нижнего пределов преобразования. Когда входной сигнал равен
или выше VR+ на цифровом выходе (NADC) формируется значение
0FFFh, и ноль, когда входной сигнал равен или ниже VR-.
Входной канал и опорные уровни напряжения (VR+ и VR-)
задаются в памяти управления преобразованиями. Формула
преобразования для результата АЦП выглядит следующим
образом:
in R-ADC
R+ R-
V -VN =4095×
V -V. (4.1)
Ядро АЦП конфигурируется двумя управляющими
регистрами: ADC12CTL0 и ADC12CTL1. Ядро включается битом
ADC12ON. За некоторыми исключениями биты управления АЦП
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
107
могут быть модифицированы, только когда ENC=0. ENC должен
быть установлен в 1 перед выполнением любого преобразования.
Рис.4.14. Структурная схема АЦП12
Выбор тактирования преобразования. Сигнал ADC12CLK
используется как для тактирования преобразования, так и для
генерации периода выборки. Для выбора источника тактирования
используются биты ADC12SSELx, а частота выбранного
источника может быть поделена на коэффициент от 1 до 8,
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
108
выбираемый с помощью битов ADC12DIVx. Источниками сигнала
тактирования ADC12CLK могут быть: SMCLK, MCLK, ACLK и
внутренний осциллятор ADC12OSC.
Входы АЦП и мультиплексор. В качестве источников
сигналов для АЦП могут использоваться восемь внешних и четыре
внутренних аналоговых сигнала, коммутируемых аналоговым
входным мультиплексором.
Выбор аналогового порта. Входы АЦП мультиплексированы
с ножками порта Р6, имеющими цифровые КМОП ячейки. При
подаче аналоговых сигналов с напряжением близким к
напряжению переключения цифровой схемы могут возникать
паразитные токи. Отключение цифрового буфера от ножки порта
устраняет протекание паразитного тока и вследствие этого
уменьшает общий потребляемый ток. Биты P6SELx дают
возможность отключать входные буферы ножки порта:
; P6.0 и P6.1 конфигурируются как аналоговые входы
BIS.B #3h,&P6SEL ; P6.1 и P6.0 – функция АЦП12
BIC.B #3h,&P6DIR ; P6.1 и P6.0 переключены на ввод
Генератор опорного напряжения. Модуль АЦП содержит
встроенный генератор опорного напряжения с двумя
выбираемыми уровнями напряжения: 1,5 В и 2,5 В. Любое из этих
опорных напряжений может быть использовано внутренне или
внешне на выводе VREF+.
Чтобы включить внутренний опорный источник необходимо
установить бит REFON=1. Если REF2_5V=1, то внутреннее
опорное напряжение равно 2,5 В, а при REF2_5V=0 опорное
напряжение равно 1,5 В.
Внешние опорные источники могут быть подключены к
VeREF+ и VREF-/VeREF- для задания VR+ и VR- соответственно.
Синхронизация выборки и преобразования. Аналого-
цифровое преобразование инициируется по нарастающему фронту
входного сигнала выборки SHI. Источник для SHI выбирается с
помощью битов SHSx и может быть таким:
– бит ADC12SC;
– модуль вывода 1 таймера А;
– модуль вывода 0 таймера В;
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
109
– модуль вывода 1 таймера В.
Сигнал SAMPCON управляет периодом выборки и началом
преобразования. Выборка активна, пока сигнал SAMPCON равен
единице. По заднему фронту сигнала SAMPCON стартует аналого-
цифровое преобразование, длительность которого составляет 13
циклов ADC12CLK.
Память преобразований. Результаты преобразований
сохраняются в 16-ти регистрах памяти преобразований
ADC12MEMx. Каждый регистр ADC12MEMx конфигурируется
соответствующим управляющим регистром ADC12MCTLx. Биты
SREFx устанавливают опорное напряжение, а биты INCHx задают
входной канал. Бит EOS определяет конец последовательности,
если используется последовательный режим преобразования. Если
бит EOS в ADC12MCTL15 не установлен, то результаты
преобразования последовательно сохраняются в регистрах с
ADC12MEM15 по ADC12MEM0.
Биты CSTARTADDx определяют первый регистр
ADC12MCTLx, используемый для преобразования. Если выбран
одноканальный или повторный одноканальный режим
преобразования, то биты CSTARTADDx указывают на
единственный используемый регистр ADC12MCTLx.
Режимы преобразований АЦП12. АЦП12 имеет четыре
режима работы, выбираемые битами CONSEQx так, как описано в
табл. 4.3. Подробное описание режимов преобразований
приведено в [2,8].
Таблица 4.3. Перечень режимов работы АЦП
CONSEQx Режим Операция
00 Одноканальный с одиночным преобразованием
Выполняется одно преобразование
в одном канале.
01 Последовательность
каналов
Выполняются однократные преобразования последовательности каналов.
10 Повторяющийся
одноканальный
Выполняется повторяющееся
преобразование в одном канале.
11 Повторяющаяся последовательность каналов
Выполняются повторяющиеся преобразования последовательности каналов.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
110
Использование интегрированного температурного
датчика. При использовании имеющегося на кристалле
температурного датчика пользователь выбирает аналоговый
входной канал INCHx=10102. Любая другая конфигурация
рассматривается как выбор внешнего канала.
Типичная передаточная функция температурного датчика
показана на рис. 4.15. При работе с температурным датчиком
период выборки должен быть больше 30 мкс.
Прерывания АЦП. АЦП имеет 18 источников прерывания:
– ADC12IFG0-ADC12IFG15;
– ADC12OV, переполнение AD12MEMx;
– ADC12TOV, переполнение времени преобразования АЦП12.
Рис. 4.15. Типичная передаточная функция
температурного датчика
Биты ADC12IFGx устанавливаются, когда в их
соответствующие регистры памяти ADC12MEMx загружается
результат преобразования. Если соответствующий бит ADC12IEx
и бит GIE установлены, генерируется запрос прерывания.
Состояние ADC12OV появляется, когда результат нового
преобразования записывается в любой регистр ADC12MEMx до
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
111
прочтения предыдущего результата. Состояние ADC12TOV
генерируется, когда до завершения текущего преобразования
затребована другая выборка-преобразование.
Вектор прерываний ADC12IV. Все источники прерываний
АЦП разделены по приоритетам и являются источником одного
вектора прерываний. Регистр вектора прерываний ADC12IV
используется для определения, какой из разрешенных источников
прерываний АЦП запрашивает прерывание.
При любом типе доступа (чтение или запись) к регистру
ADC12IV автоматически сбрасывается состояние ADC12OV или
ADC12TOV, если любое из них было наивысшим ожидающим
прерыванием. При доступе к ADC12IV флаги ADC12IFGx не
сбрасываются. Биты ADC12IFGx сбрасываются автоматически,
при доступе к соответствующим им регистрам ADC12MEMx, или
же программно.
Форматы управляющих регистров АЦП12 приведены в [2]
стр. 323-331.
4.3.2 Описание лабораторной установки и обработка
результатов
Задания выполняются на лабораторном стенде на базе 16-ти
разрядного микроконтроллера MSP430F1611.
Обработка результатов показаний датчика влажности.
Для измерения влажности используются датчики, основанные на
различных физических принципах и выполненные по различным
технологиям. Можно выделить основные четыре типа датчиков:
емкостные, резистивные, на основе оксида олова и на основе
оксида алюминия (табл. 4.4).
Из представленных четырех основных типов для измерения
влажности, оптимальным по совокупности параметров является
емкостной [9]. Он обеспечивает широкий диапазон измерений,
высокую надежность и низкую стоимость при использовании
микроэлектронной технологии. Благодаря чему мы имеем
миниатюрные габариты чувствительного элемента, возможность
имплементации на кристалле специализированной интегральной
схемы обработки сигнала. Технологичность и высокий выход
годных кристаллов обеспечивают малую стоимость продукции
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
112
данного типа. Итак, для измерения влажности емкостной метод
является лучшим.
Таблица 4.4. Отличительные особенности различных типов
датчиков влажности
Тип датчика Особенности
Емкостной
Высокая надежность, высокий выход годных
кристаллов, низкая стоимость, широкий
рабочий диапазон.
Резистивный Самые дешевые, малая доля рынка.
На основе оксида
олова
Плохая стабильность, плохая
взаимозаменяемость
На основе оксида
алюминия
Узкий диапазон измерения (малая
влажность)
Рассмотрим отличительные особенности датчиков влажности
емкостного типа, которые предлагает компания Honeywell.
Чувствительный элемент представляет собой многослойную
структуру (рис. 4.16).
На кремниевой подложке (1) напылена платиновая пленка (2),
которая образует первый электрод конденсатора. Диэлектриком
между обкладками служит термореактивный полимер (3), поверх
которого выполнена вторая обкладка конденсатора – платиновая
пленка с перфорацией (4), позволяющая влаге проникать к
абсорбирующему слою (3) и изменять его относительную
диэлектрическую проницаемость, а соответственно – и емкость
конденсатора.
1– кремниевая подложка; 2, 4 – платиновый электрод;
3, 5 – термореактивный полимер; 6 – пыль, грязь, масло.
Рис. 4.16. Структура чувствительного элемента датчика влажности
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
113
Верхним слоем является пленка термореактивного полимера (5), которая служит защитой от пыли и грязи. Также эта конструкция делает возможной промывку датчиков, для этой цели рекомендуется использовать изопропиловый спирт.
Стоит также особо выделить диэлектрик – термореактивный полимер, который использует Honeywell в своих датчиках влажности. Емкостные датчики на основе термореактивного полимера имеют преимущества по сравнению с датчиками на основе термопластичного полимера: они долговечнее, более стойки к воздействиям окружающей среды, имеют высокую химическую стойкость и обладают широким рабочим температурным диапазоном.
В серии датчиков HIH-4000 при образовании влаги на поверхности чувствительного элемента выходной сигнал устанавливается соответствующим низкому уровню (порядка 39 мВ), т.е. показывает отсутствие влажности. Без сомнения, это нововведение полезно, с помощью него есть возможность формировать сигнал ошибки, так как показания датчиков влажности в условиях конденсации влаги не являются точными.
В лабораторном стенде использован датчик влажности Honeywell HIH-4000-003 (рис. 4.17), технические характеристики которого приведены в табл. 4.5.
Рис. 4.17. Внешний вид датчика влажности Honeywell HIH-4000-
003
Табл. 3.5. Технические характеристики датчика HIH-4000-003
Параметр Значение
Диапазон измерения, % RH 0...100
Повторяемость, ±% RH 0,5
Напряжение питания, В 4,0...5,8
Ток потребления, мА 0,2
Рабочая температура, °С -40...85
Время отклика, с 15
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
114
Все датчики влажности HIH-4000 комплектуются
калибровочным паспортом. Этот документ отражает реальные
значения выходных напряжений при эталонных значениях
относительной влажности, крутизну характеристики
преобразования, номера партии и пластины, соответствующие
конкретному экземпляру. Таким образом, у каждого датчика своя
передаточная характеристика. Образец калибровочного паспорта и
типичной характеристики преобразования влажности в
напряжение представлены на рис. 4.18.
Преобразование выходного напряжения датчика в относи-
тельную влажность, выполняется по формуле (4.2), параметры
которой определяются из паспорта конкретного датчика:
out(V _ )zero offsetRH
slope
, (4.2)
где RH – относительная влажность, %;
outV – выходное напряжение датчика, В;
_zero offset – начальное смещение, равно outV @0%RH , В;
slope – угол наклона, В / % RH.
Vout @ 75,3% RH
Vout @ 0% RH
Рис. 4.18. Образец паспорта и характеристики преобразования
датчика влажности
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
115
Угол наклона slope определяет линейную зависимость
выходного напряжения от относительной влажности, и
вычисляется по формуле:
out outV @75,3% V @0%
75,3% 0%
RH RHslope
, (4.3)
где outV @75,3%RH – выходное напряжение при влажности
75,3%, В;
outV @0%RH – выходное напряжение при влажности 0%, В.
Напряжение питания датчика 5 В, поэтому для согласования с
АЦП используется резистивный делитель 10/11 (1 МОм/ 1,1 МОм),
и повторитель на операционном усилителе. Выход операционного
усилителя подключен к входу АЦП – ADC0_IN. В качестве
опорного напряжения для модуля АЦП выбирается внешний
источник VR+=VeREF+=3,3В, VR–=0В. С учетом этого формула
преобразования аналогового входного сигнала inV в цифровой
ADCN принимает вид:
in R- inADC
R+ R-
V -V VN =4095× =4095×
V -V 3,3. (4.4)
Таким образом, учитывая (4.3) и (4.4) получим формулу для
пересчета результата преобразования АЦП в значение
относительной влажности:
ADCN3,3 1,1 _
4095zero offset
RHslope
. (4.5)
Принципиальная схема подключения датчика влажности
показана на рис. 4.19, а его размещение на плате показано на
рис. 4.20.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
116
Рис.4.19. Схема подключения датчика HIH4000-003
Рис. 4.20. Размещение датчика влажности на плате
Обработка результатов показаний датчика тока. В
лабораторном стенде использован датчик тока INA139 с токовым
выходом. Его характеристики приведены в табл. 4.6.
Таблица 4.6. Технические характеристики датчика тока INA139
Параметр Значение
Диапазон входного напряжения, мВ 100…500
Синфазное входное напряжение, В 2,7…40
Коэффициент передачи, мА/В 1
Погрешность коэффициента передачи при +25°С, % 1
Полоса пропускания -3 дБ, кГц 440
Напряжение питания, В 2,7…40
Ток потребления, мА, макс 0,125
Рабочая температура, °С -40…85
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
117
На рис. 4.21 показана схема с применением INA139, в которой
кроме токового шунта требуется единственный внешний
компонент – резистор RL.
В лабораторном стенде датчик тока INA139 измеряет ток
потребления системы. Принципиальная схема подключения
датчика тока показана на рис. 4.22.
Выходное напряжение датчика определяется по формуле:
outV1000
Is Rs Rl , (4.6)
где Is – ток потребления системы, А;
Rs – измерительное сопротивление, Ом ( Rs = 0,21 Ом);
Rl – сопротивление нагрузки, Ом ( Rl = 30100 Ом).
Рис. 4.21. Датчик тока в положительном полюсе с
токовым выходом
Подставив значения, получим формулу пересчета выходного
напряжения датчика в ток потребления системы Is , А:
Vout
30,1 0,21Is
. (4.7)
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
118
Рис. 4.22. Принципиальная схема подключения
датчика INA139
Для согласования выхода датчика тока с входом АЦП
используется повторитель на операционном усилителе. Выход
операционного усилителя подключен к входу АЦП – ADC1_IN. В
качестве опорного напряжения для модуля АЦП выбирается
внешний источник VR+=VeREF+=3,3В, VR–=0В. С учетом (4.1) и (4.7)
формула пересчета результата преобразования АЦП в значение
тока потребления системы Is принимает вид:
ADC
ADC
N3,3
N 3,34095
30,1 0,21 4095 30,1 0,21Is
. (4.8)
Размещение датчика тока на плате показано на рис.4.23.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
119
4.3.3 Программа исследований
Перед началом выполнения практической части лабораторной
работы проводится экспресс-контроль знаний по принципам
функционирования модуля АЦП, входящего в состав
микроконтроллера MSP430F1611. При подготовке к лабораторной
работе необходимо составить предварительный вариант листинга
программы, в соответствие с индивидуальным заданием.
Рис. 4.23. Размещение датчика тока на плате стенда
Задание: разработать в среде программирования IAR
Embedded Workbench или Code Composer Studio программу на
языке С для измерения значений влажности и тока потребления в
соответствие с параметрами режима работы, приведенными в табл.
4.7.
Порядок выполнения задания:
– включить лабораторный макет
– запустить компилятор IAR Embedded Workbench или Code
Composer Studio.
– создать пустой проект.
– создать файл ресурса для кода программы и подключить его
к проекту.
– ввести код исходного модуля программы для считывания
данных с модуля АЦП.
– выполнить компиляцию исходного модуля программы и
устранить ошибки, полученные на данном этапе.
– настроить параметры программатора.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
120
– создать загрузочный модуль программы и выполнить
программирование микроконтроллера.
– проверить работоспособность загруженной в
микроконтроллер программы и показать результаты работы
преподавателю.
В случае некорректной работы разработанной программы,
выполнить аппаратный сброс микроконтроллера, провести отладку
исходного модуля программы и заново проверить
функционирование программы.
Таблица 4.7. Варианты индивидуальных заданий
№ Задание
1
Разработать программу, выполняющую измерение относительной
влажности в режиме одиночного преобразования (делитель частоты
равен 2) и отображающую результат измерений на ЖКИ.
2
Разработать программу, выполняющую измерение относительной
влажности в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты
равен 8) и отображающую результат измерений на ЖКИ.
3
Разработать программу, выполняющую измерение относительной
влажности в режиме одиночного преобразования (делитель частоты
равен 4) и отображающую результат измерений на ЖКИ.
4
Разработать программу, выполняющую измерение относительной
влажности в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты
равен 5) и отображающую результат измерений на ЖКИ.
5
Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока в
режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 6) и
отображающую результат измерений на ЖКИ.
6
Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока
в режиме одиночного преобразования (делитель частоты равен 7) и
отображающую результат измерений на ЖКИ.
7
Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока в
режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 4) и
отображающую результат измерений на ЖКИ.
8
Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока
в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 1) и
отображающую результат измерений на ЖКИ.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
121
Требования к содержанию аналитического отчета Отчет должен содержать:
– титульный лист;
– цель и программу проведения исследований;
– характеристики лабораторной вычислительной системы;
– исходный модуль разработанной программы;
– анализ полученных результатов и краткие выводы по
работе, в которых необходимо отразить особенности
использования встроенного в микроконтроллер модуля АЦП для
измерения аналоговых сигналов.
Контрольные вопросы и задания
1. Поясните принцип работы встроенного в микроконтроллер
MSP430F1611 12-разрядного АЦП.
2. Перечислите основные управляющие регистры АЦП,
встроенного в микроконтроллер MSP430F1611, и поясните их
функции.
3. Поясните принцип измерения температуры с помощью
интегрированного датчика температуры.
4. Какие типы датчиков влажности вы знаете?
5. Каким образом осуществляется согласование уровней
напряжения на выходе датчика влажности и входе АЦП?
6. Приведите основные характеристики датчика тока INA139.
7. Запишите формулы расчета значений относительной
влажности и потребляемого тока по результатам АЦП
преобразований.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
122
4.4 Методология разработки программного обеспечения
для автономных и встраиваемых энергоэффективных систем
Частью тренинга является проведение семинара. В ходе
семинара выполняется анализ современных и перспективных
подходов при создании программного обеспечения
энергоэффективных автономных и встраиваемых green-систем.
Цель семинара
Приобретение знаний и практических навыков по подготовке
и презентации выполненного проекта (реферата, аналитического
обзора, разработки) по вопросам современных и перспективных
подходов при создании программного обеспечения
энергоэффективных автономных и встраиваемых green-систем.
Подготовка к семинару
Получение (определение) темы работы (реферата
аналитического обзора, разработки) и уточнение задач. Темы
работ могут формироваться обучаемыми самостоятельно и
согласовываться с руководителями исходя из ориентировочного
перечня:
– методология разработки программного обеспечения для
энергоэффективных микроконтроллерных систем;
– особенности использования интеллектуальных
периферийных модулей green-микроконтроллеров в задачах
энергосбережения;
– методы обработки внешних событий по прерываниям и
поллингом;
– управление энергопотреблением в green-системах;
– конфигурирование систем тактирования и синхронизации
green-микроконтроллеров;
– коммуникационные протоколы и интерфейсы green-систем.
Разработка плана работ и распределение
ответственности между участниками целевой группы. План
работ может быть представлен в виде диаграммы Ганта,
включающей основные мероприятия, сроки и распределение
ответственности между участниками целевой группы.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
123
Целевая группа состоит из 3 человек. Примерный ресурс
времени на подготовку 9х3=27 часов (+ 15 мин презентации).
Распределение ответственности определяют участники группы.
Поиск информации по теме работы (библиотека,
Интернет) и ее предварительный анализ. Англоязычные термины
даны для удобства поиска информации в Интернет. Возможно
представление реферата и презентации на английском языке, что
повысит оценку за семинар. Методические указания и список
рекомендуемой литературы к рефератам выдаются
индивидуально (по группам).
Разработка плана отчета и презентации проекта. План
отчета (презентации) включает подготовку следующих разделов:
– введение (актуальность проблемы, краткий анализ
состояния вопроса – обзор литературных источников, цели и
задачи реферата, анализ исходных данных, обоснование методов
достижения поставленной цели, структура и характеристика
реферата, план работ и распределение ответственности);
– основные разделы работы – систематизированное
изложение содержания реферата (характеристика моделей,
методов, средств, технологий по группам, выбор показателей и
критериев для оценки, сравнительный анализ);
– выводы (основные результаты работы, констатация
достижения поставленной цели, основные теоретические и
практические результаты, их значимость, направления
дальнейших работ);
– перечень ссылок;
– приложения.
Написание отчета. Отчет имеет объем 15-20 страниц
формата А4 (шрифт 14, интервал полуторный, поля 2 см),
включая титульный лист, содержание, основной текст, перечень
ссылок, выводы, приложения.
Обязательным приложением к реферату является план работ
и распределение ответственности, презентационные слайды и
электронный вариант всех материалов.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
124
Подготовка презентации. Презентация разрабатывается в
PowerPoint и соответствует плану реферата (10-15 слайдов).
Общее время презентации – 10 мин.
Презентация должна включать следующие слайды:
– титульный слайд (с указанием темы доклада, автора, даты
презентации);
– содержание (структура) доклада;
– актуальность проблемы, цель и задачи доклада исходя из
этого анализа;
– слайды с раскрытием содержания поставленных задач;
– выводы по докладу;
– список использованных источников.
Каждый из слайдов должен содержать колонтитул с
указанием темы и авторов доклада. Содержание слайдов не
должно представлять собой части текста из отчета, а включать
ключевые слова, рисунки, формулы.
Защита работы
Защита работы представляет собой устный публичный доклад
на семинаре, на который отводится до 10 минут с последующим
обсуждением в течение 5 минут. Устный доклад включает:
раскрытие целей и задач проекта, его актуальность, описание
выполненного проекта, основные выводы и предложения,
разработанные обучающимися. Оценка за выполненную работу
выставляется каждому обучаемому из группы авторов доклада
индивидуально в соответствии с результатами и распределением
ответственности.
Оценка работы
По результатам проверки реферата и защиты проекта
выставляется оценка. На этапе защиты проекта реферат, плакаты
и доклад имеют примерно равную значимость по отношению к их
вкладу в результирующую оценку. Зачастую обучающиеся
недооценивают важность демонстрационных плакатов, а работе
над докладом и вообще не придают значения. Это приводит к
снижению оценки, которая потенциально могла бы быть и выше.
Поэтому для успешной защиты следует уделить должное
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
125
внимание докладу и плакатам. Структура рисунков на плакатах
должна отражать решение поставленных в работе задач. В ходе
доклада общие задачи проекта, сформулированные во введении,
могут и должны быть обоснованно уточнены и
конкретизированы. Выбор методов, способов и средств решения
задач должен быть обоснован. Основная часть заключения – это
выводы и рекомендации. Следует указать, достигнута ли в работе
поставленная цель. Выводы вытекают из решенных задач.
Рекомендации могут относиться к возможному применению
полученных результатов на практике, модификации методов
решения поставленных задач.
Анализ результатов проводиться по следующим критериям:
1. Навыки самостоятельной работы с материалами, по их
обработке, анализу и структурированию.
2. Умение правильно применять методы исследования.
3. Умение грамотно интерпретировать полученные
результаты.
4. Способность осуществлять необходимые расчеты,
получать результаты и грамотно излагать их в отчетной
документации.
5. Умение выявить проблему, предложить способы ее
разрешения, умение делать выводы.
6. Умение оформить итоговый отчет в соответствии со
стандартными требованиями.
7. Умение защищать результаты своей работы, грамотное
построение речи, использование при выступлении специальных
терминов.
8. Способность кратко и наглядно изложить результаты
работы.
9. Уровень самостоятельности, творческой активности и
оригинальности при выполнении работы.
Литература
1. Шамраев А.А., Коваленко А.А. Индустриальное применение энергоэффективных микроконтроллеров MSP430 Зеленая ИТ-инженерия. Том 2. Системы, индустрия, социум.
4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных
индустриальных микроконтроллерных систем
126
Раздел 31 /Под ред. Харченко В.С. Нац. аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", 2014. – c.492-515.
2. Семейство микроконтроллеров MSP430x1xx. Руководство
пользователя: Пер. с англ. М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2004. – 368с.
3. Семейство микроконтроллеров MSP430. Рекомендации по
применению: Пер. с англ. М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2005. – 544с.
4. Семейство микроконтроллеров MSP430x4xx. Руководство
пользователя: Пер. с англ. М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2005. – 416с.
5. «MSP 430 IAR C/C++ Compiler Reference Guide» ew430_compilerreference.pdf.
6. Бойт К. Цифровая электроника / К. Бойт. – М.: Техносфера, 2007. – 472с.
7. Шпак Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров. – К.: МК-Прес, 2006. – 400с.
8. Семейство микроконтроллеров MSP430x2xx. Архитектура, программирование, разработка приложений / перевод А. Евстифеев. – М.: ДМК Пресс, Додэка XXI, 2015. – 544с.
9. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384с.
10. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 2001. – 704с.
11. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. – М.: Постмаркет, 1999. – 528с.
12. Smart Autonomous 32-bit Microcontroller Peripherals Push
the Boundaries of Ultra-Low-Power Embedded System Design,
Silicon Labs, 2012. - http://www.silabs.com/Supprot%20Documents/
TechnicalDocs/low-power-32-bit-microcontroller-dtm.pdf
13. PicoPower Technology, 2013
http://www.atmel.com/technologies/lowpower/picopower.aspx
14. http://www.academia.edu/3784688/an_energy_efficient_
microcontroller_based_digital_solar_weighing_machine
15. http://www.cortus.com/MOSIS_APS3_Datasheet.pdf
Анотація
127
АНОТАЦІЯ
Зелені сенсорні мережі та микроконтролерні системи.
Методи і засоби дослідження і розробки Тренінг. / Коваленко
А.А., Лукашенко В.В., Плахтєєв А.П., Плахтєєв П.А., Орєхов О.О.,
Харченко В.С., Шамраєв А.А., Шамраєва О.О. / За ред.
Харченка В.С. – Міністерство освіти і науки України, Національний
аерокосмічний університет ім. Н.Е.Жуковського «ХАІ», Харків. –
2016. – 158 с.
Викладено матеріали тренінг-курсу LLL2 "Techniques and
Tools for Green Industry Systems and Networks", розробленого в
рамках проекту TEMPUS «Green Computing & Communication»
(530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).
Курс базується на методичних та інструментальних засобах,
призначених для оволодіння практичними навичками розроблення
та дослідження енергоефективних мікроконтролерних систем,
сенсорних мереж, а також мереж, толерантних до затримок (Delay
Tolerant Network). Надано опис лабораторних робіт і тренінгів, які
виконуються з використанням спеціальних програмно-апаратних
засобів.
Для інженерів, які займаються розробленням та
впровадженням енергоефективних мікропроцесорних систем і
сенсорних та глобальних мереж, магістрів і аспірантів
університетів, які навчаються за напрямами комп'ютерних наук,
комп'ютерної та програмної інженерії, при вивченні та
дослідженні методів і засобів зеленої ІТ-інженерії.
Библ. – 50 наименований, рисунков – 64, таблиц – 20.
Зміст
128
ЗМІСТ
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ ....................................................................... 3
ВСТУП ................................................................................................... 4
1. УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯМ ВУЗЛІВ
СЕНСОРНИХ МЕРЕЖ ........................................................................ 7
1.1 Способи зниження енергоспоживання для мікроконтролерів
вузлів сенсорних мереж ....................................................................... 8
1.2 Управління енергоспоживанням 8-розрядних мікроконтролерів
AVR серії ATmega ................................................................................ 8
1.3 Налагоджувальна плата для мікроконтролера ATmega328P ... 13
1.4 Управління тактовою частотою 32-розрядного ARM
мікроконтролера LPC2134 ................................................................. 15
1.5 Управління енергозбереженням LPC2134 ................................. 18
1.6 Налагоджувальні засоби для контролера LPC2134 NXP ......... 19
Контрольні питання і завдання ......................................................... 23
Література ........................................................................................... 24
2. РОЗРОБКА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОЇ СЕНСОРНОЇ МЕРЕЖІ
ДЛЯ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ЛІСНИХ РЕСУРСІВ. .............. 25
2.1 Застосування сенсорних мереж у системах моніторингу ......... 26
2.2 Проектування енергоефективної сенсорної мережі .................. 27
2.3 Проектування інфраструктури сенсорної мережі за допомогою
інструментального засобу «Test Polygon» ........................................ 35
Контрольні питання і завдання ......................................................... 45
Література ........................................................................................... 46
3. ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОМП'ЮТЕРНИХ
МЕРЕЖ З ТОЛЕРАНТНІСТЮ ДО ЗАТРИМОК............................. 49
3.1 Розрахунок інформаційного і енергетичного ресурсу мереж с
толерантністю до затримок................................................................ 49
3.2. Тенденції розвитку інформаційно-комунікаційних і
комп'ютерних мереж з толерантністю до затримок і обмежень
енергоресурсу ..................................................................................... 80
Контрольні питання і завдання ......................................................... 82
Література ........................................................................................... 83
Зміст
129
4. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ІНДУСТРІАЛЬНИХ
МІКРОКОНТРОЛЕРНИХ СИСТЕМ ................................................ 85
4.1 Апаратна платформа для розробки програмного забезпечення
на базі мікроконтролера MSP430F1611 ............................................ 86
4.2 Вивчення принципів програмного управління обміном даними
по послідовному інтерфейсу I2C в енергоефективних
мікроконтролерних системах ............................................................ 89
4.3. Розробка програмного забезпечення для систем збору та
обробки інформації на базі зелених мікроконтролерів ................. 105
4.4 Методологія розробки програмного забезпечення для
автономних і вбудованих енергоефективних систем .................... 122
Контрольні питання і завдання ....................................................... 125
Література ......................................................................................... 126
АНОТАЦІЯ ....................................................................................... 127
ABSTRACT ....................................................................................... 130
CONTENT ......................................................................................... 131
ДОДАТОК А
Стенд и програма для дослідження режимів енергозбереження
мікроконтролера ATmega328 в Arduino Mini -
Blink_Mini_sleep_Serial.ino .............................................................. 133
ДОДАТОК Б
Стенд и програма для дослідження управління тактовою частотою
мікроконтролера LPC2134 ............................................................... 138
ДОДАТОК В. НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ................................... 142
Abstract
130
ABSTRACT
Green sensor networks and microcontroller systems. Methods
and means research and development. Training. / Kovalenko А.А.,
Lukashenko V.V., Plakhteev A.P., Plakhteev P.A., Orekhov A.A.,
Kharchenko V.S., Shamraev А.А., Shamraeva O.О. / Kharchenko V.
(edit.). – Department of Education and Science of Ukraine, National
Aerospace University named after N. Zhukovsky “KhAI”, Kharkiv. –
2016. – 158p.
Practical materials of study training course LLL2 "Techniques and
Tools for Green Industry Systems and Networks" are expounded in this
training textbook prepared for PhD-students within the framework of
project TEMPUS-GREENCO «Green Computing & Communications»
(530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).
The course focuses on the getting of skills on practical application
of techniques and tools to develop and implement energy-efficient
sensor networks, monitoring and industrial microcontroller systems,
and so-called delay tolerant networks, and learning of algorithms and
technologies of calculation and choice of characteristics for such
systems and networks. Course curriculum, description of seminars,
practical trainings and methodical recommendations for self-sufficient
study are given.
The book is intended for engineers developing and implementing
energy-efficient networks and microcontroller systems, master and PhD
students learning computer sciences, computer and software
engineering, and techniques and tools of green IT engineering.
Ref. – 50 items, figures – 61, tables – 20.
Content
131
CONTENT
INTRODUCTION ................................................................................ 4
1 SENSOR NODE NETWORK POWER CONSUMPTION
MANAGEMENT ................................................................................. 7
1.1 Means power consumption decreasing for microcontroller nodes
of sensor networks ................................................................................ 8
1.2 Power consumption management of 8-bit microcontrollers AVR
family ATmega ..................................................................................... 8
1.3 Toolkit for microcontroller ATmega328P .................................... 13
1.4 Clocking management of 32-bit ARM microcontroller LPC2134 15
1.5 Power consumption management LPC2134 ................................. 18
1.6 Toolkit for microcontroller LPC2134 NXP ................................. 19
Questions and tests ............................................................................. 23
References .......................................................................................... 24
2 DEVELOPMENT OF ENERGY EFFICIENT SENSOR
NETWORKS FOR FOREST MONITORING SYSTEMS. ............... 25
2.1 Application of sensor networks in monitoring systems ................ 26
2.2 Development technique of energy efficient sensor network ........ 27
2.3 Development of sensor network for forest monitoring systems
using tool «Test Polygon» .................................................................. 35
Questions and tests ............................................................................. 45
References .......................................................................................... 46
3 RESEARCH OF DELAY TOLERANT NETWORKS ENERGY
EFFICIENCY ..................................................................................... 49
3.1 Calculation of information and energy resources for delay tolerant
networks ............................................................................................. 49
3.2 Tendencies of information and computer networks tolerating
delays and energy limitations ............................................................. 80
Questions and tests ............................................................................. 82
References .......................................................................................... 83
4 DEVELOPMENT OF SOFTWARE FOR INDUSTRIAL ENERGY
EFFICIENT MICROCONTROLLER SYSTEMS ............................. 85
Content
132
4.1 Microcontroller MSP430F1611 based platforms for green software
development ....................................................................................... 86
4.2 Principles of data transmission program control on application of
interface I2C in energy efficient microcontroller systems ................. 89
4.3. Software development for green microcontroller systems of data
collection and processing ................................................................. 105
4.4 Technique of software development for autonomous and
embedded energy efficient microcontroller systems ........................ 122
Questions and tests ........................................................................... 125
References ........................................................................................ 126
ABSTRACT ..................................................................................... 130
CONTENT ....................................................................................... 131
APPENDIX А
Toolkit and program of power saving modes research for
microcontroller ATmega328 in Arduino Mini ................................. 133
APPENDIX B
Toolkit and program of clocking management research for
microcontroller LPC2134 ................................................................. 138
APPENDIX C. TECHING PROGRAM ......................................... 142
Приложение А
133
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Стенд и программа для исследования режимов
энергосбережения микроконтроллера ATmega328 в Arduino
Mini - Blink_Mini_sleep_Serial.ino
В составе стенда (рис. ПА.1а) микроконтроллер связан с
светодиодами D1(вывод D13) и D2(вывод ШИМ D5), кнопкой
пробуждения WAKEUP (вывод прерыванияD3/ INT1),
перемычкой разрешения перехода в режим сна ENINT1(вывод
D4) а выход передатчика UART ( D1/TXD) связан с входом
терминала, отображающего передаваемые микроконтроллером
сообщения (рис. ПА.1 б).
В активном режиме (RUN MODE) микроконтроллер каждые
500 мс изменяет параметр ШИМ на выходе D5 и яркость
свечения светодиода D2, переключает состояние светодиода D1
сигналом на выходе D13 и отправляет по асинхронному
интерфейсу (D1/TXD )сообщения о текущем состоянии. Через
два полных цикла изменения ШИМ 1..128 микроконтроллер
переходит в заданный режим сна (SLEEP MODE), если разокнута
перемычка разрешения перехода в режим сна ENINT1(на выводе
D4 «1»). Если на выводе D4 «0» перехода в режим сна не
происходит, а продолжаются циклы управления нагрузками.
Выход из режима сна происходит при поступлении уровня «0»
сигнала прерывания от кнопки WAKEUP или при сбросе
микроконтроллера (цепь сброса RESET/PC6 на схеме не
показана).
Приложение А
134
а)
б)
Рис. ПА.1. Схема стенда (а) и передаваемые сообщения (б)
Для выполнения указанных функций в микроконтроллер
должен быть загружен результат компиляции приведенной ниже
программы, что выполняется интегрированной средой
Приложение А
135
разработки Arduino. Программа может использоваться в 6
вариантах в зависимости от выбранного режима сна
микроконтроллера:
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_ххх);
В программе используются библиотеки avr/interrupt.h,
avr/power.h и avr/sleep.h, которые размещаются в папке:
path_to_arduino \arduino-ххх\hardware\tools\avr\avr\include\avr\ .
/*
Blink
Turns on an LED on for one second, then off for one second,
repeatedly.
This example code is in the public domain.
*/
#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/power.h>
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/io.h>
// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.
// give it a name:
int led = 13;
int ext1 = 3; // для INT1
int pwm = 5;
int En_ext1 = 4;
int val = 1, count=0;
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize the digital pin as an output.
pinMode(led, OUTPUT);
pinMode(1,OUTPUT);
pinMode(En_ext1,INPUT);
digitalWrite(En_ext1, HIGH);
digitalWrite(1, HIGH);
pinMode(pwm, OUTPUT);
digitalWrite(ext1, HIGH); //для работы INT1 подтягиваем к
"1"
Приложение А
136
Serial.begin(9600);
Serial.println("RUN mode");
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the
voltage level)
analogWrite(pwm,val);
Serial.print(count);
Serial.print(")");
Serial.println(val);
val = val<<1;
if(val>255) val=1;
delay(500); // wait for a second
digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by making the
voltage LOW
delay(500); // wait for a second
count++;
if(digitalRead(En_ext1)==1) {
if(count>15){ //после 16 циклов переход в сон
count=0;
digitalWrite(led,LOW); // led=0 - off
digitalWrite(pwm,LOW ); // PWM -off
Serial.println("SLEEP mode");
delay(100);
sleepNow(); // переход в сон
Serial.println("RUN mode");
}
}
}
//
void sleepNow(void)
{
// Set pin 2 as interrupt and attach handler:
attachInterrupt(1, pinInterrupt, LOW);
//
// Choose our preferred sleep mode:
Приложение А
137
//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); //least power
savings
//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_ADC);
//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_SAVE);
//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_STANDBY);
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); //most
power savings
//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_EXT_STANDBY);
//
sleep_enable(); //разрешение режима сна
//
// Put the device to sleep:
sleep_mode(); //сон с пробужлением по INT1=ext1=0
//
// Upon waking up, sketch continues from this point.
sleep_disable(); // запрет режима сна
}
void pinInterrupt(void)
{
detachInterrupt(1); //запрет прерывания на 16 циклов
переключения LED
}
Приложение Б
138
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Стенд и программа для исследования управления тактовой
частотой микроконтроллера LPC2134
Наряду с физическим стендом - отладочной платой для
контроллера LPC2134, можно использовать пример из Proteus 8.3
(LPC2138 Playing Music) в качестве виртуального стенда (рис.
ПБ.1а ). Для этого необходимо связать модель микроконтроллера
с загрузочным файлом программы приведенной ниже (рис.
ПБ.1б).
а)
б)
Рис. ПБ.1. Виртуальный стенд (а) и настройка
микроконтроллера (б)
Приложение Б
139
Этот файл имеет расширение *.hex и генерируется
компилятором. Необходимо также указать частоту
синхронизации микроконтроллера – 14.7456 МГц.
На выходе P0.31 формируется меандр, период которого
составляет фиксированное число тактов. Через 10 импульсов
частота изменяется и, соответственно, изменяется частота
меандра (рис. ПБ.2). Выход P0.31 в отладочной плате связан с
пользовательским светодиодом, что позволяет наблюдать
изменение частоты и получить осциллограммы.
Рис. ПБ.2 Моделирование управления тактовой частотой
микроконтроллера со скоростью горизонтальной развертки 5
мс/дел и фрагмент для детального анализа с 1 мс/дел.
Приложение Б
140
Сигнал с Р0.31 дублируется на Р0.7, к которому в
виртуальном стенде подключен излучатель. Это позволяет в
виртуальном стенде получить изменение частоты звука при
перестройке тактовой частоты микроконтроллера.
Приведенная ниже программа не требует вспомогательных
библиотечных файлов, а использует стандартные средства IAR
Embedded Workbench ARM с рабочим пространством по
умолчанию. В память микроконтроллера загружается файл *.hex.
…\IAR_ARM_630\arm\examples\NXP\LPC213x\IAR-P213x
/*--------------------------------------------------------------*/
#include <iolpc2134.h>
#define PLOCK 0x0400
void CPU_F(void);
unsigned int MSEL_val=0,PSEL_val=3,i,PLL_val=0;
long int del;
int main (void)
{
PLLCFG_bit.MSEL=0; PLLCFG_bit.PSEL=3; //14,745
CPU_F(0,5);
CPU_F();
VPBDIV_bit.VPBDIV=1; //0 = cclk/4; 1 = cclk/1; 2 = cclk/2;
IO0DIR=0x80000080; // P0.31 - output
while (1) // Цикл
{
for(i=20;i>0;i--) //20 импульсов одной частоты
{
IO0SET_bit.P0_31=1; // LED_OFF; P0.31=1
IO0SET_bit.P0_7=1; // BUZ_OFF; P0.7=1
del=1000; while (--del!=0);
IO0CLR_bit.P0_31=1; // LED_ON; P0.31=0
IO0CLR_bit.P0_7=1; // BUZ_ON; P0.7=0
del=1000; while (--del!=0);
}
Приложение Б
141
switch (PLL_val) // изменение MSEL, PSEL
{
case 0: PLLCFG_bit.MSEL=0; PLLCFG_bit.PSEL=3;
break; //14,745 CPU_F(0,3);
case 1: PLLCFG_bit.MSEL=1; PLLCFG_bit.PSEL=2;
break; //29,491 CPU_F(1,2);
case 2: PLLCFG_bit.MSEL=2; PLLCFG_bit.PSEL=1;
break; //44,237 CPU_F(2,1);
case 3: PLLCFG_bit.MSEL=3; PLLCFG_bit.PSEL=1;
break; //58,982 CPU_F(3,1);
default: PLLCFG_bit.MSEL=0; PLLCFG_bit.PSEL=3;
PLL_val=0; break;
//14,745 CPU_F(0,3);
}//switch
CPU_F(); // Установка частоты
PLL_val++;
}//while
}
void CPU_F(void) // Функция установки частоты
{
PLLCON_bit.PLLE=1; // Enable the PLL
PLLFEED=0xAA;
PLLFEED=0x55;
while(!(PLLSTAT & PLOCK)); // Wait for PLL to lock
PLLCON_bit.PLLC=1; // Enable out PLL
PLLFEED=0xAA;
PLLFEED=0x55;
}
Приложение В. Учебная программа
142
ПРИЛОЖЕНИЕ В. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
DESCRIPTION OF THE COURSE
TITLE OF THE COURSE Code
LLL2. Techniques and Tools for Green Industry
Systems and Networks
Teacher(s) Department
Coordinating: Prof. Kharchenko V. S.
Others: Dr. Kovalenko A.A., Dr
Lukashenko V.V., Dr Plakhteev A.P.,
Plakhteev P.A., Prof Orekhov A.A., Dr
Shamraev A.A., Dr Shamraeva E.O.
Computer Systems and
Networks, National
Aerospace University
KhAI
Study cycle Level of the
module
Type of the
module
Engineer A Full-time tuition
Form of
delivery
Duration Language(s)
Full-time tuition One semester English
Prerequisites
Prerequisites: Computer Systems and System
Analysis; Advanced Processor and Microcontroller
Architectures, Sensor and Global Networks,
Probability Theory and Theory of Experiments. Skills
in Hardware Designing, Computer Software for
Modeling.
Co-requisites
(if necessary):
no
Credits of the
module
Total student
workload
Contact hours Individual
work hours
3 120 54 66
Aim of the module (course unit): competences foreseen by the
study programme
The aim of course is, firstly, to get skills on practical application of
techniques and tools to develop and implement energy-efficient sensor
Приложение В. Учебная программа
143
networks, monitoring and industrial microcontroller systems, and so-
called delay tolerant networks, and secondly, to study algorithms and
technologies of calculation and choice of characteristics for such
systems and networks.
Learning outcomes of
module (course unit)
Teaching/learning
methods
Assessment
methods
At the end of course, the
successful student will be
able:
1) to make decisions related
to power consumption
management and decreasing
for sensor network
microcontroller nodes; to
apply techniques and tools to
develop and implement
energy-efficient sensor
networks for different
domains;
Interactive lectures,
Trainings,
Just-in-Time Teaching
Module
Evaluation
Questionnaire
2) to apply techniques and
tools to develop and
implement energy-efficient
sensor networks for different
domains;
Interactive lectures,
Trainings,
Just-in-Time Teaching
Module
Evaluation
Questionnaire
3) to calculate and research
performance and energy
consumption characteristics
for delay tolerant networks;
Interactive lectures,
Training and seminars,
Just-in-Time Teaching
Module
Evaluation
Questionnaire
4) to develop and implement
software for green industrial
microcontroller systems.
Interactive lectures,
Trainings and
seminars,
Just-in-Time Teaching
Module
Evaluation
Questionnaire
Приложение В. Учебная программа
144
Themes
Contact work
hours
Time and tasks
for individual
work
Lec
ture
s
Consu
ltat
ions
Sem
inar
s
Pra
ctia
cl w
ork
Lab
ora
tory
work
Pla
cem
ents
Tota
l co
nta
ct w
ork
In
div
idu
al
work
Tasks
1 Sensor Node Network
Power Consumption
Management 1.1 Means power
consumption decreasing for
microcontroller nodes of
sensor networks
1.2 Power consumption
management of 8-bit
microcontrollers AVR family
ATmega
1.3 Toolkit for microcont-
roller ATmega328P
1.4 Clocking management of
32-bit ARM microcontroller
LPC2134
1.5 Power consumption
management LPC2134
4 8 1
2
12 1.6
Toolkit
for
microcon
troller
LPC2134
NXP
2. Development of Energy
Efficient Sensor Networks
for Monitoring Systems
2.1 Application of sensor
networks in monitoring
systems
4 8 1
2
12 2.4.
Techni-
ques,
algo-
rithms of
energy
Приложение В. Учебная программа
145
2.2. Development technique
of energy efficient sensor
networks for forest
monitoring system
2.3 Development of sensor
network using tool «Test
Polygon»
efficient
coverage
by
sensors
for
monito-
ring
system
3. Research of Delay
Tolerant Networks Energy
Efficiency
3.1. Technology of delay
tolerant networks
3.2. Calculation of
information and energy
resources characteristics for
delay tolerant networks
3.3 Modeling of delay tolerant
networks
4 2 4 1
0
8 3.4.
Tenden-
cies of
develop-
ment of
networks
tolerating
delays
and
energy
limita-
tions
.
4. Development 0f Software
for Industrial Energy
Efficient Microcontroller
Systems
4.1 Microcontroller
MSP430F1611 based
platforms for green software
development
4.2 Principles of data
transmission program control
on application of interface
I2C in energy efficient
microcontroller systems
4.3. Software development
4 2 6 1
2
12 4.5.
Techniqu
es for
selection
of setting
for green
MC
software
develop-
ment
Приложение В. Учебная программа
146
for green microcontroller
systems of data collection and
processing
4.4 Technique of software
development for autonomous
and embedded energy
efficient microcontroller
systems
Total 16 4 26 46 44
Assessment
strategy
Wei
ght
in
%
Dead
lines Assessment criteria
Lecture activity,
including
fulfilling special
self-tasks
10 7,14 85% – 100% Outstanding work,
showing a full grasp of all the
questions answered.
70% – 84% Perfect or near perfect
answers to a high proportion of the
questions answered. There should be
a thorough understanding and
appreciation of the material.
60% – 69% A very good
knowledge of much of the important
material, possibly excellent in
places, but with a limited account of
some significant topics.
50% – 59% There should be a good
grasp of several important topics,
but with only a limited
understanding or ability in places.
There may be significant omissions.
Приложение В. Учебная программа
147
45% – 49% Students will show
some relevant knowledge of some of
the issues involved, but with a good
grasp of only a minority of the
material. Some topics may be
answered well, but others will be
either omitted or incorrect.
40% – 44% There should be some
work of some merit. There may be a
few topics answered partly or there
may be scattered or perfunctory
knowledge across a larger range.
20% – 39% There should be
substantial deficiencies, or no
answers, across large parts of the
topics set, but with a little relevant
and correct material in places.
0% – 19% Very little or nothing
that is correct and relevant.
Training,
seminars,
practicum
30 7,14 85% – 100% An outstanding piece
of work, superbly organised and
presented, excellent achievement of
the objectives and evidences.
70% – 84% Students will show a
thorough understanding and
appreciation of the material,
producing work without significant
error or omission. Objectives
achieved well. Excellent
organisation and presentation.
60% – 69% Students will show a
clear understanding of the issues
involved and the work should be
well written and well organised.
Приложение В. Учебная программа
148
Good work towards the objectives.
The exercise should show evidence
that the student has thought about
the topic and has not simply
reproduced standard solutions or
arguments.
50% – 59% The work should show
evidence that the student has a
reasonable understanding of the
basic material. There may be some
signs of weakness, but overall the
grasp of the topic should be sound.
The presentation and organisation
should be reasonably clear, and the
objectives should at least be partially
achieved.
45% – 49% Students will show
some appreciation of the issues
involved. The exercise will indicate
a basic understanding of the topic,
but will not have gone beyond this,
and there may well be signs of
confusion about more complex
material. There should be fair work
towards the laboratory work
objectives.
40% – 44% There should be some
work towards the laboratory work
objectives, but significant issues are
likely to be neglected, and there will
be little or no appreciation of the
complexity of the problem.
20% – 39% The work may contain
some correct and relevant material,
but most issues are neglected or are
covered incorrectly. There should be
some signs of appreciation of the
Приложение В. Учебная программа
149
laboratory work requirements.
0% – 19% Very little or nothing
that is correct and relevant and no
real appreciation of the laboratory
work requirements.
Module
Evaluation
Quest
60 8,16 The score corresponds to the
percentage of correct answers to the
test questions.
Author
Yea
r o
f is
sue
Title
No of
periodical
or volume
Place of printing.
Printing house or
internet link
Compulsory literature
Ed. by
V. Kharchenko
20
14 Green IT-
Engineering. Volume
1. Principles, models,
HW&SW
National Aerospace
University “KhAI”
Ed. by
V. Kharchenko
20
15 Green IT-
Engineering. Volume
2. Systems, Industry,
SocietyPrinciples,
models, HW&SW
National Aerospace
University “KhAI”
Ed. by
S.Murugesan,
G.Gangadharan
20
12 Harnessing Green IT:
Principles and
Practices
J. Wiley and Sons Ltd
20
10 STMicroelectronics
STM8L family power
management
AN3147 http://www.bdtic.com/
DownLoad
/ST/AN3147.pdf
P. Greenhalgh
20
11 big.LITTLE
Processing with ARM
Cortex-A15 &
Cortex-A7
White paper
ARM,
http://www.arm.com/fil
es/downloads/big_LIT
TLE_Final_Final.pdf.
20
14 AVR4013: picoPower
Basics
http://www.atmel.com/I
mages/doc8349.pdf
Приложение В. Учебная программа
150
А.В. Евстифеев
20
04 Микроконтролле-ры
AVR семейств Tiny
и Mega фирмы
Atmel
М: Додэка-ХХI.-
2004.- 560c.
Atmel 8-bit
microcontroller with
4/8/16/32Kbytes in-
system programmable
Flash
http://www.atmel.com/i
mages/atmel-8271-8-
bit-avr-microcontroller-
atmega48a-48pa-88a-
88pa-168a-168pa-328-
328p_datasheet_compl
ete.pdf
Тревор Мартин
20
06 Микроконтроллеры
ARM7. Семейство
LPC2000 компании
Philips. Вводный
курс
М: Додэка-ХХI.-
2006.- 240c.
20
12 UM10120.
LPC2131/2/4/6/8 User
manual. Rev.4-23
www.nxp.com/docume
nts/user_manual/UM10
120.pdf
http://olimex.com/dev/s
oft/arm/LPC/lpc-
h2138-blink_led.zip
20
15 Amirthavarshini L.J
et al. Wireless Sensor
Networks in Green
Cloud Computing
International
Journal of
Scientific &
Engineering
Research,
Vol.6, Issue
10, Oct
2015
http://www.ijser.org/res
earchpaper%5CWireles
s-Sensor-Networks-in-
Green-Cloud-
Computing.pdf
20
09 Smart Sensor
Networks
Technologies and
Applications for
Green Growth
OECD http://www.oecd.org/sti
/44379113.pdf
Ed. by
V. Kharchenko
20
11 Critical Infrastructure
Safety: Mathematical
and Engineering
Methods of
Assessment and
Assurance
National Aerospace
University “KhAI”
Приложение В. Учебная программа
151
Астраков С.Н.
20
09 Сенсорные сети и
покрытие плоскости
кругами
Дискретный
анализ и
исследова-
ние операций
Том 16, № 3.
C. 3–19.
Snehal A.Jadhav et
al Wireless Sensor
Network Based
Monitoring System
for Forest
International
Journal on
Recent and
Innovation
Trends …,
Vol.3, Is..3
http://www.ijritcc.org/d
ownload/1428990984.p
df
P.S. Jadhav et. al.
20
12 Forest Fire
Monitoring System
Based On ZIG-BEE
Wireless Sensor
Network
International
Journal of
Emerging
Technology
and
Advanced
Engineering,
Vol.2, Is.12
Leila Maleki
20
13 Using Wireless
Sensor Networks for
Detection Reliable
Forest Fires
Elsevier, 26,
2013
http://www.slideshare.n
et/Leila_maleke/using-
wireless-sensor-
networks-for-reliable-
forest-fires
M. Hefeeda, M.
Bagheri
20
09 Forest Fire Modeling
and Early Detection
Adhoc & Sensor
Wireless Networks,
2009. -Vol.7, No.3/4,
p.169-224,
Junguo ZHANG,
Wenbin LI, Ning
HAN, Jiangming
KAN
20
08 Forest fire detection
system based on a
ZigBee wireless
sensor network.
- Higher
Education
Press and
Springer-
Verlag,
2008
http://eps2009.dj-
inod.com/docs/09-04-
23/Forest_fire_detectio
n_system_based_on_a_
ZigBee_wireless_senso
r_network.pdf
M.A. Serna et al
20
15 Distributed Forest
Fire Monitoring
Using Wireless
Sensor Networks
International
Journal of
Distributed
Sensor
Networks,
Volume
2015
http://www.hindawi.co
m/journals/ijdsn/2015/9
64564/
Andrew S.
Tanenbaum,
Maarten van Steen
20
07 Distributed systems:
principles and
paradigms
Pearson Prentice Hall,
2007. - 686 р.
Приложение В. Учебная программа
152
Tanenbaum A.S.
20
11
Computer Networks,
5th Ed
Prentice Hall, Cloth,
2011. – 960p.
J.J.P.C. Rodrigues
(Ed.)
20
15 Advances in Delay-
Tolerant Networks
(DTNs): Architecture
and Enhanced
Performance
Elsevier, Cambridge,
2015. – 298 р.
Jae H. Kim and
Myung J. Lee (Eds.) 2
011 Green IT:
Technologies and
Applications
Springer, Berlin, 2011.
- 443 p.
Mohammad
Obaidat, Alagan
Anpalagan, Isaac
Woungang (Eds.)
20
13 Handbook of Green
Information and
Communication
Systems, 1st Edition.
Elsevier /Academic
Press, Amsterdam,
Boston, 2013. – 816р.
F. Richard Yu, Xi
Zhang, Victor C.M.
Leung.
20
12 Green
Communications and
Networking
CRC Press, 2012. -
399р.
L. Bononi et al.
(Eds.)
20
12 Impact of Persistent
Storage on the DTN
Routing Performance
Springer-Verlag Berlin
Heidelberg 2012 -
Р.513–524.
20
04 Семейство
микроконтроллеров
MSP430x1xx.
Руководство
пользователя
М.: Серия
«Библиотека
Компэла». ЗАО
«Компэл», 2004. –
368с.
20
05 Семейство
микроконтроллеров
MSP430.
Рекомендации по
применению
М.: Серия
«Библиотека
Компэла». ЗАО
«Компэл», 2005. –
544с.
20
05 Семейство
микроконтроллеров
MSP430x4xx.
Руководство
пользователя
М.: Серия
«Библиотека
Компэла». ЗАО
«Компэл», 2005. –
416с.
20
07 MSP 430 IAR C/C++
Compiler Reference
Guide
ew430_compilerreferen
ce.pdf.
Шпак Ю.А.
20
06 Программирование
на языке С для AVR
и PIC
микроконтроллеров
К.: МК-Прес, 2006. –
400с.
Приложение В. Учебная программа
153
20
15 Семейство
микроконтроллеров
MSP430x2xx.
Архитектура,
программирование,
разработка
приложений
М.: ДМК Пресс,
Додэка XXI, 2015. –
544с
Джексон Р.Г. 2
007 Новейшие
датчики
М.: Техносфера, 2007.
– 384с.
20
12 Smart Autonomous
32-bit Microcont-
roller Peripherals
Push the Boundaries
of Ultra-Low-Power
Embedded System
Design
Silicon Labs, 2012
http://www.silabs.com/
Supprot%20Documents
/ TechnicalDocs/low-
power-32-bit-
microcontroller-
dtm.pdf
20
13 PicoPower
Technology
http://www.atmel.com/t
echnologies/lowpower/
picopower.aspx
Additional literature
L. A. Barroso
U. Hölzle
20
07 The case for energy-
proportional
computing
Computer -
Vol.40,Dec.,
pp. 33 – 37
C. Arun, K.
Lakshmi Sudha
20
12 Agricultural
Management using
Wireless Sensor
Networks - A Survey
2nd
International
Conference
IPCBEE
Vol.48
www.ipcbee.com/vol
48/015-ICESB2012-
B20011.pdf
Zahra Rezaei,
Shima Mobininejad
20
12 Energy Saving in
Wireless Sensor
Networks
International
Journal of
Computer
Science &
Engineering
Survey,Vol.
3, No.1,
http://www.airccse.o
rg/journal/ijcses/pap
ers/0212ijcses03
M.A. Serna, A.
Bermudez, R.
Casado
20
13 Circle-based approximation to forest fires with distributed wireless sensor networks // Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking
Proceedings
of the IEEE
Conference
(WCNC'13),
P. 4329-
4334.
Приложение В. Учебная программа
154
M.A. Serna, A.
Bermudez, R.
Casado
20
13 Hull-based
approximation to
forest fires with
distributed wireless
sensor networks
Proc. of the
IEEE 8th
International
Conference
(ISSNIP '13),
P.265–270.
S.-W. Hong, S.-K.
Noh, E. Lee, S.
Park, S.-H. Kim 2
010 Energy-efficient
predictive tracking for
continuous objects in
wireless sensor
networks
Proc.of the IEEE 21st Int. Symposium (PIMRC '10), pp. 1725–1730, IEEE, Istanbul, Turkey
Cao Y.,
Cruickshank H.,
Sun Z. / G.
Giambene and C.
Sacchi (Eds.)
20
11 Asymmetric Spray
and Multi-forwarding
for Delay Tolerant
Networks
Institute for
Computer Sciences..
- 2011 - Р.199–212.
Yu Y., Chen X.
20
13 Research on Custody
Transfer Service in
Delay Tolerant
Network
Journal of
networks,
Vol. 8, №8,
Aug.2013. –
P.1713-1719.
An energy efficient
microcontroller based
digital solar weighing
machinе
http://www.academia.edu/3784688/an_energy_efficient_ microcontroller_based_digital_solar_weighing_machine
Energy Efficient
Embedded
Microcontroller
http://www.cortus.co
m/MOSIS_APS3_D
atasheet.pdf
Содержание
155
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .................................................................. 3
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................... 4
1. УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ УЗЛОВ
СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ ......................................................................... 7
1.1 Способы снижения энергопотребления для микроконтроллеров
узлов сенсорных сетей ......................................................................... 8
1.2 Управление энергопотреблением 8-разрядных
микроконтроллеров AVR серии ATmega ........................................... 8
1.3 Отладочная плата для микроконтроллера ATmega328P ........... 13
1.4 Управление тактовой частотой 32-разрядного ARM
микроконтроллера LPC2134 .............................................................. 15
1.5 Управление энергосбережением LPC2134 ................................. 18
1.6 Отладочные средства для контроллера LPC2134 NXP ............ 19
Контрольные вопросы и задания ...................................................... 23
Литература .......................................................................................... 24
2. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ
ДЛЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ .......... 25
2.1 Применение сенсорных сетей в системах мониторинга ........... 26
2.2 Проектирование энергоэффективной сенсорной сети .............. 27
2.2.1 Выбор сетевой технологии ....................................................... 27
2.2.2 Выбор сетевой топологии ......................................................... 30
2.2.3 Выбор сетевого оборудования ................................................. 32
2.3 Проектирование инфраструктуры сенсорной сети с помощью
инструментального средства «Test Polygon» ................................... 35
2.3.1 Инструментальное средство «Test Polygon» ........................... 35
2.3.2 Задание области исследуемой территории главным
многоугольником ................................................................................ 37
Содержание
156
2.3.3 Выделение запретной зоны в участке главного
многоугольника .................................................................................. 38
2.3.4 Покрытие результирующей области датчиками ..................... 38
2.3.5 Анализ полученных данных ..................................................... 43
Контрольные вопросы и задания ...................................................... 45
Литература .......................................................................................... 46
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ С ТОЛЕРАНТНОСТЬЮ К
ЗАДЕРЖКАМ ..................................................................................... 49
3.1 Расчет информационного и энергетического ресурса сетей с
толерантностью к задержкам ............................................................ 49
3.1.1 Архитектура и протоколы сетей с толерантностью к
задержкам ............................................................................................ 50
3.1.2 Расчет дальности радиосвязи ................................................... 56
3.1.3 Методика расчета дальности радиосвязи ................................ 61
3.1.4 Программа разработок и исследований ................................... 66
Контрольные вопросы ........................................................................ 79
3.2. Тенденции развития информационно-коммуникационных и
компьютерных сетей с толерантностью к задержкам и
ограничениями энергоресурса ........................................................... 80
Контрольные вопросы и задания ...................................................... 82
Литература .......................................................................................... 83
4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ ........................................... 85
4.1 Аппаратная платформа для разработки программного
обеспечения на базе микроконтроллера MSP430F1611 .................. 86
4.2 Изучение принципов программного управления обменом
данными по последовательному интерфейсу I2C в
энергоэффективных микроконтроллерных системах ..................... 89
4.2.1 Система тактирования ............................................................... 90
4.2.2 Режимы пониженного энергопотребления ............................. 91
Содержание
157
4.2.3 Обработка прерываний ............................................................. 91
4.2.4 Интеллектуальные периферийные модули ............................. 92
4.2.5 Конфигурация последовательного интерфейса для работы в
режиме I2C .......................................................................................... 93
4.2.6 Конфигурирование USART для функционирования I2C ...... 95
4.2.7 Прерывания I2C ......................................................................... 95
4.2.8 Описание лабораторной установки ......................................... 96
4.2.9 Программа исследований ....................................................... 101
Контрольные вопросы и задания .................................................... 104
4.3. Разработка программного обеспечения для систем сбора и
обработки информации на базе зеленых микроконтроллеров ..... 105
4.3.1 Двенадцатиразрядный АЦП12 ............................................... 106
4.3.2 Лабораторная установка и обработка результатов ............... 111
4.3.3 Программа исследований ....................................................... 119
Контрольные вопросы и задания .................................................... 121
4.4 Методология разработки программного обеспечения для
автономных и встраиваемых энергоэффективных систем ........... 122
Контрольные вопросы и задания .................................................. 1245
Литература ........................................................................................ 125
АНОТАЦІЯ ....................................................................................... 127
ЗМІСТ ................................................................................................ 128
ABSTRACT ....................................................................................... 130
CONTENT ......................................................................................... 131
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Стенд и программа для исследования режимов энергосбережения
микроконтроллера ATmega328 в Arduino Mini -
Blink_Mini_sleep_Serial.ino .............................................................. 133
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Стенд и программа для исследования управления тактовой
частотой микроконтроллера LPC2134 ............................................ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ В. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА .............................. 142
Для заметок
158
Коваленко Андрій Анатолійович Лукашенко Вікторія Вікторівна Плахтєєв Анатолій Павлович Плахтєєв Павло Анатолійович Орєхов Олександр Олександрович Харченко Вячеслав Сергійович Шамраєв Анатолій Анатолійович Шамраєва Олена Олегівна
ЗЕЛЕНІ СЕНСОРНІ МЕРЕЖІ ТА
МІКРОКОНТРОЛЕРНІ СИСТЕМИ. МЕТОДИ Й ЗАСОБИ ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКИ
Тренінг
(російською мовою)
Редактор Харченко В.С.
Комп'ютерна верстка Харченко Л.Д.
Зв. план, 2016 Підписаний до друку 03.06.2016 Формат 60х84 1/16. Папір офс. №2. Офс. друк. Умов. друк. арк. 9,18. Уч.-вид. л. 8,75. Наклад 200 прим. Замовлення 56. Ціна вільна
_
Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Х а р к і в с ь к и й а в і а ц і й н и й і н с т и т у т"
61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17 http://www.khai.edu
Віддруковано ФОП Лисенко І. Б. 61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17, моторний корпус, к. 147
Свідоцтво про внесення суб'єкта видавничої справи в державний реєстр видавців, виготовлювачів і розповсюджувачів видавничої продукції
ДК №2607 от 11.09.06 р.
Recommended