РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED MONITORING SYSTEM USING WIRELESS SENSOR NETWORKS

Azamat Zhumabaev

master's student, Department of System Analysis and Management, L.N. Gumilyov Eurasian National University,

Kazakhstan, Nur-Sultan

Aizhan Kuanysheva

master's student, Department of System Analysis and Management, L.N. Gumilyov Eurasian National University,

Kazakhstan, Nur-Sultan

Nurlan Serikovich Mukataev

PhD, associate Professor Department of System Analysis and Management, L.N. Gumilyov Eurasian National University,

Kazakhstan, Nur-Sultan

АННОТАЦИЯ

В статье представлен анализ систем с применением беспроводных сенсорных сетей и разработан альтернативный вариант использования беспроводных систем для существующих систем мониторинга зданий и сооружений.

ABSTRACT

The article presents an analysis of systems using wireless sensor networks and developed an alternative use of wireless systems for existing monitoring systems of buildings and structures.

Ключевые слова: разработка, беспроводные сенсорные сети, автоматизированная система мониторинга (АСМ).

Keywords: development, wireless sensor networks, automated monitoring system.

1. Введение. Традиционно системы АСМ включают в себя проводные системы сбора данных, которые могут периодически получать данные о конструкции. Эти системы определяют состояние конструкции, на которых установлены сенсоры, и оценивают условия безопасности сооружения, используя различные типы датчиков и определенные методы диагностики и прогнозирования повреждений [1, с. 8]. Однако для проводных систем мониторинга конструкций требуются дорогостоящие кабели связи, которые необходимо устанавливать и регулярно обслуживать, и, следовательно, они не имеют широкого применения из-за их высокой стоимости.

Основная цель разработки и применения АСМ с применением беспроводных сенсорных сетей – улучшение качества мониторинга и сокращение финансовых затрат, за счет устранения расходов на содержание, обслуживание, неполадок и в целом по приобретению кабелей.

Решаемые задачи исследования:

- изучение систем с применением беспроводных сенсорных сетей;

- подготовка концептуального дизайна разрабатываемой системы;

- проведения анализа оборудования для узла WSN;

- разработка концепции системы.

2.Анализ систем. Беспроводные сенсорные сети используются во все большем количестве областей. Все больше внимания уделяется системам мониторинга и защиты гражданских инфраструктур (мосты, туннели и здания), электросетям, инфраструктуре трубопроводов, ветряным турбинам и т. д. Сети с сотнями узлов датчиков уже используются для мониторинга больших географических районов, моделирования и прогнозирования загрязнения и затоплений, сбор информации о структурном состоянии мостов с помощью датчиков вибрации, контроля потребления воды, удобрений и пестицидов для улучшения здоровья и количества сельскохозяйственных культур.

В результате проведения научных исследовании выявлены актуальные системы с применением беспроводных сенсорных сетей:

- сбор данных беспроводного датчика на основе связи ZigBee [2, с. 15];

- беспроводные сенсорные сети для контроля вибрации в автомобильных конструкциях [3, с. 368];

- архитектура системы WBAN [4, с. 8].

3. Разработка АСМ

3.1 Концептуальный дизайн. Исследуя некоторые из доступных технологий и текущее состояние WSN, выбраны части и компоненты для прототипа WSN. WSN можно разделить на две части: аппаратное и программное обеспечение. Аппаратное обеспечение можно разделить на три части: датчики, модули беспроводной связи и блоки микроконтроллера. После выбора компонентов разработана концепция дизайна.

3.2 Анализ оборудования. В рамках процесса проектирования проводился анализ возможного оборудования, которое можно использовать для узла WSN. Сначала описывались характеристики частей, соответствующих WSN, затем проводились сравнение между различными исследованными частями:

1. одноплатные микроконтроллерные модули. Есть много типов микроконтроллеров, которые могут быть использованы для узлов WSN. Тем не менее, необходимо выбрать те, которые соответствуют следующим преимуществам по сравнению с остальными микроконтроллерами на рынке:

- доступность;

- мультиплатформенность;

- простая среда разработки;

- открытый исходный код.

Следующие SBMCU были исследованы и рассмотрены:

- Аrduino Mega 2560;

- Raspberry Pi 3 Model B+;

- LaunchPad серии Tiva C серии TM4C123G;

- ESP8266 Узел MCU Wi Dev Kit.

2. стандарты беспроводной связи (БС). Была произведена оценка преимуществ и недостатков, которая представлена в табл.1. Технологии, которые следует использовать для WSN, являются:

- ZigBee (на основе IEEE 802.15.4) - это спецификация соединения протоколов беспроводной связи высокого уровня, основанных на стандарте беспроводной персональной сети (PAN) IEEE 802.15.4. Его целью являются приложения, которые требуют надежной связи, благодаря сетчатой топологии, с низкой скоростью передачи данных и более длительным сроком службы батарей.

- WiFi (IEEE 802.11) - это локальная беспроводная сеть, которая работает по стандартам 802.11, установленным Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).

- Bluetooth (IEEE 802.15) - это стандарт беспроводной технологии для обмена данными на коротких расстояниях (с использованием коротковолновых УВЧ-радиоволн в диапазоне ISM от 2,4 до 2,485 ГГц) от xed и мобильных устройств, а также для создания персональных сетей (PAN).

Таблица 1.

Преимущества и недостатки БС

Рисунок 1. Полная концепция системы

3.3 Концепция Системы. После выбора каждого компонента в соответствии с пунктом 3.2 Анализ оборудования предлагается архитектура приложения, она состоит из 5 уровней:

1. Уровень датчиков - это место, где измеряются все физические переменные.

2. Уровень сбора данных, который состоит из оцифровки данных датчиков или цифровой передачи данных датчиков (например, SPI, UART).

3. Уровень беспроводной связи - это место, где данные от сбора данных отправляются на базовую станцию.

4. Уровень базовой станции отвечает за сбор всех данных с узлов сбора данных.

5. Уровень мониторинга данных - это место, где можно отслеживать все данные и сохранять их для дальнейшей последующей обработки.

Заключение. Большинство методов мониторинга конструкций включают визуальные осмотры, которые могут идентифицировать только повреждения, видимые на поверхности конструкции. АСМ могут автоматически анализировать состояние конструкций в реальном времени и оценивать текущее техническое состояние строительных конструкций зданий и сооружений. АСМ позволяет не только оценивать текущее состоянии строительных конструкций и всего здания в целом, что обеспечит безопасность и надежность зданий и сооружений, но и может способствовать существенной экономии при контроле технического состояния здания, что помогает вовремя принять меры для устранения разрушений.

При выборе АСМ, важно не только качество, но и финансовая эффективность системы. В связи с этим, для решения задач по мониторингу выгоднее использовать разработанный в данной работе альтернативный вариант беспроводных систем для существующих систем мониторинга зданий и сооружений. Так как он более эффективен и менее затратный.

Принимая во внимания результаты исследования, определены основные преимущества WSN для SHM:

- низкая стоимость;

- масштабируемость;

- простота развертывания;

- надежность.

Список литературы:

1. Григорьев, Ю.П. Станция контроля технического состояния здания или сооружения, его частей, конструкций, элементов конструкций и узлов соединения [Текст]/ Ю.П. Григорьев, В.В. Гурьев, А.Н. Дмитриев, В.М. Дорофеев // Патент РФ № 2321836, кл. 0 01 М 7/00, 2007.
2. СНиП РК 3.02-05-2010. «Автоматизированная система мониторинга зданий и сооружений».
3. J. Torresen, E. Renton, and A. R. Jensenius, \Wireless Sensor Data Collection based on ZigBee Communication," Proceedings of the 2010 Conference on New Interfaces for Musical Expression (NIME 2010), pp. 368{371, 2010.
4. В. Джонс «Мониторинг и состояние биосигналов: распределенные мультимедийные приложения в сетях здравоохранения», 10-й семинар IEEE по обработке мультимедийных сигналов, Cairns, 8.-10. 825.