2. Анализ работы беспроводной системы температурно-прочностного мониторинга бетонной смеси.

Технологии беспроводной связи постоянно разви­ваются в самых различных направлениях, улучшают­ся их технические характеристики (скорость переда­чи данных, помехоустойчивость, энергопотребление элементной базы и т. д.) и расширяется диапазон их применения. За последние 10…20 лет одним из наи­более ярких проявлений этого прогресса является по­явление относительно нового класса беспроводных сетей передачи информации – беспроводных сенсор­ных сетей (БСС).

Сенсорными сетями называют беспроводные многоячейковые (mesh) сети с низкой скоростью пе­редачи данных и сверхнизким энергопотреблением, основное назначение которых заключается в сборе показаний от распределенных в пространстве датчи­ков.

Главные особенностями БСС.

Главными особенностями БСС являются самоор­ганизация и адаптивность к условиям эксплуатации, поэтому требуются минимальные затраты при развер­тывании такой сети на объекте и при последующем ее сопровождении в процессе функционирования.

Поддержка многоячейковой топологии и способ­ность узлов в случае необходимости ретранслиро­вать сообщения других устройств обеспечивает зна­чительную площадь покрытия системы при малой мощности передатчиков и устойчивость сети к от­казу отдельных узлов или беспроводных соединений по различным причинам (появление помех или пре­пятствий, физическое повреждение или перемеще­ние узла и т. д.), что позволяет эксплуатировать сеть в зданиях и на промышленных объектах с неблаго­приятными условиями распространения радиоволн. При этом узлы самостоятельно определяют опти­мальные маршруты доставки данных и корректируют их в режиме РВ при изменении топологии сети.

Аппаратное обеспечение беспроводных узлов и протоколы сетевого взаимодействия между ними оптимизированы по энергопотреблению для дости­жения длительного срока эксплуатации системы при автономных источниках питания (батареи, аккумуля­торы и т. п.). В зависимости от режима работы время жизни узла может достигать нескольких лет.

Таким образом, решения на базе беспроводных сенсорных сетей имеют следующие преимущества по сравнению с проводными системами:

• отсутствие необходимости в прокладке кабелей для электропитания и передачи данных;

• низкая стоимость монтажа, пуско-наладки и тех­нического обслуживания системы;

• минимальные ограничения по размещению бес­проводных устройств;

• возможность внедрения и модификации сети на эксплуатируемом объекте при минимальном вме­шательстве в процесс его функционирования;

• надежность и отказоустойчивость всей системы в целом при нарушении отдельных соединений меж­ду узлами или выходе некоторых узлов из строя.

3. Принцип работы беспроводной системы температурно-прочностного мониторинга бетонной смеси. Основные компоненты системы.

Прототип системы мониторинга состояния возводимых монолитных конструкций построен на основе беспроводной системы мониторинга ML-SM, представляющей собой аппаратно-программный комплекс для организации беспроводной радиочастотной автоматического сбора данных от распределенных в пространстве датчиков. Система ML-SM основана на аппаратно-программной платформе MeshLogic, предназначенной для построения беспроводных сенсорных сетей и обладает следующими особенностями:

• поддержка полностью многоячейковой топологии сети;

• все узлы равноправны и являются маршрутизаторами;

• самоорганизация и автоматический поиск маршрутов;

• устойчивость к соканальной интерференции;

• высокая масштабируемость и надежность доставки данных;

• работа всех узлов сети от автономных источников электропитания.

Состав системы:

Рис. 3.11. Общая схема организации сети.

• сервер (персональный компьютер или ноутбук);

• беспроводной шлюз ML-SM-G.

• беспроводные узлы ML-SM-N;

• модули сопряжения для подключения отдельных датчиков.

• датчики;

Описание основных компонентов системы

Рис. 3.12. Основные компоненты системы

а) Беспроводной шлюз

б) Беспроводной узел

в) Модуль сопряжения

Таблица 3.1. Основные технические характеристики канала радиосвязи беспроводного шлюза

Тип радиочастотного канала	IEEE 802.15.4
Диапазон частот	2400-2483,5 МГц
Количество частотных каналов	16 (1 основной и 15 резервных)
Максимальная мощность передатчика	20 дБм (100 мВт)
Чувствительность приемника	-98 дБм
Тип антенны	всенаправленная антенна (50 Ом)
Разъем антенны	SMA
Дальность связи	до 1000 м
Сетевой адрес	от 1…65534

1. Подключения беспроводного шлюза к серверу осуществляется по интерфейсу USB.

2. В беспроводных узлах основным источником питания являются встроенные Li/SOCLl-батарей (4 шт. типоразмера AA), что обеспечивает их автономную работу. Также возможно дополнительно подключить внешнюю батарею (или аккумулятор) большей емкости или стационарный блок питания.

3. К каждому беспроводному узлу может быть подключено 1…4 модуля сопряжения для подключения внешних датчиков. Модули сопряжения обеспечивают масштабируемость системы: в случае необходимости контроля дополнительных параметров с использованием неприменяемых ранее типов датчиков – для них могут быть разработаны дополнительные модули сопряжения, что обеспечить возможность их интеграции в систему мониторинга.

Для мониторинга тепловыделения бетонных конструкций, а также для контроля тепловлажностного режима и атмосферного давления в районе строительства было решено использовать датчики с цифровым выходом 1-Wire и I2C/SHTx. С целью обеспечения возможности их подключения был разработан модуль сопряжения ML-SM-S1W. Подключение датчиков с интерфейсом 1-Wire к модулю сопряжения может быть реализовано по 4 независимым шинам, каждая из которых имеет отдельные линии питания и передачи данных. Поэтому в случае возникновения неисправности в одной из шин 1-Wire (например, короткое замыкание или обрыв линий питания) датчики, подключенные к остальным шинам, сохранят работоспособность и будут опрашиваться в штатном режиме. Разделение шин позволяет выбирать между степенью надежности системы сбора данных и удобством монтажа большого числа датчиков.

Модуль способен обслуживать до 16 каналов измерения. Если интерфейс I2C/SHTx не задействован для контроля параметров температуры, влажности и давления в районе строительства, то по всем шинам 1-Wire может быть подключено до 16 датчиков. Если же по интерфейсу I2C/SHTx подключен, например, комбинированный датчик температуры и относительной влажности (2 канала измерения), то данный модуль сопряжения сможет опрашивать по интерфейсу 1-Wire не более 14 датчиков.

С учетом наличия 4 слотов подключения модулей сопряжения в каждом беспроводном узле, в общей сложности к каждому узлу может быть подключено до 64 температурных датчиков (по 4 датчика на каждую шину), либо 16 независимых датчиков (1 датчик на шину). Наиболее рациональным видится подключение 14 температурных датчиков 1-Wire для контроля тепловыделения внутри бетонного массива (так как эти датчики имеют очень низкую себестоимость) и 1 датчика I2C/SHTx для контроля параметров окружающей среды на каждый узел.