По дисциплине: Основы теории сложных систем
Задание:
Введение
На данный момент мы живем в мире, где большинство повседневных задач автоматизированы или максимально упрощены, с каждым годом данная тенденция возрастает. Современный человек усовершенствовал технологии автоматического и удалённого управления настолько, что данные технологии помогаю не только экономить время и деньги, а так же позволяют не беспокоиться о безопасности своего жилища. Возрастающая популярность автоматизированных систем, такого типа как «умный дом», обуславливается стремлением человека к комфортной и удобной жизни. Дополнительным фактором привлекательности данных систем является безопасность, от противопожарных систем до сигнализации с дистанционным оповещением.
«Умный дом» это современный инструмент повышения уровня комфорта и жизни человека, а так как большинство процессов происходит автоматически, то это делает его актуальным для изучения и совершенствования.
1. Выбор контроллера и пульта ДУ
Для реализации этих опций, должен быть следующий функционал:
1. RS-485 для управления устройствами через MODBUS, LanDrive или Z-WAVE;
2. IR/FR приёмники
3. LAN порт ETHERNET для панелей управления и внутренних устройств;
4. WAN порт ETHERNET для выхода в Internet
5. GSM/GPRS модем.
Контроллер Vera EDGE (стоимость = 18 270 руб)
|
Характеристики |
VeraEdge |
|
Максимальное число поддерживаемых устройств Z-Wave |
220 |
|
Версия Z-Wave |
Z-Wave Plus (500 серия) |
|
Графический интерфейс |
UI7 |
|
Процессор |
600MHz MIPS |
|
Память (Flash) |
128MB |
|
Память (RAM) |
128MB |
|
Количество USB слотов |
1 |
|
Wi-Fi |
да |
|
Количество сетевых портов (Ethernet) |
1 |
|
Габариты (ширина x глубина x высота) |
115.5 мм x 79.5 мм x 30.5 мм |
|
Блок питания. Входные параметры |
AC 100-240VAC, 50-60Hz |
|
Блок питания. Выходные параметры |
DC 12V/1A |
|
Батарея |
нет |
|
Цена |
18 270 руб. |
|
Характеристики |
BeckhoffBX9000 |
|
Программирование |
черезTwinCAT и интерфейс программирования или Ethernet |
|
Память программ / память данных |
256 Кбайт |
|
Память для хранения данных |
256 Кбайт |
|
Реманентные данные |
2 Кбайта |
|
Постоянные данные |
1 Кбайт |
|
Исполнительная система / Run-time система |
1 ПЛК задача |
|
Время цикла ПЛК |
приблиз. 1 мс для 1000 инструкций (без цикла ввода-вывода, K-bus) |
|
Языки программирования |
МЭК 61131-3 (IL, LD, FBD, SFC, ST) |
|
Кол-во модулей ввода-вывода |
64 (255 с расширением шины K-bus) |
|
Максимальное кол-во байт по промышленной шине |
512 байт входа и 512 байт выхода |
|
Максимальное кол-во байт в образе процесса |
2,048 байт входа и 2,048 байт выхода |
|
Дискретные сигналы ввода-вывода |
2,040 входов/выходов |
|
Аналоговые сигналы |
512 входов/выходов |
|
Протокол |
TwinCAT ADS, Modbus TCP |
|
Скорость передачи данных |
10/100 Мбод, автоматическое распознавание скорости передачи |
|
Интерфейс шины |
RJ 45 |
|
Последовательный интерфейс |
COM1: 1 x RS232, COM2: 1 x RS232 или RS485 |
|
SSB |
Вспомогательная шинная система на беза протокола CANopen для подключения дополнительных периферийных устройств |
|
Диагностический светодиод |
2 x источника питания, 2 x K-bus |
|
Дисплей |
FSTN дисплей с 2 x 16 символами для диагностики или своих текстов, с подсветкой |
|
Коммутатор |
джойстик для параметризации и диагностики |
|
Часы |
часы реального времени с питанием от батареи для отображения времени и даты |
|
Питание |
24 В постоянного тока (-15 %/+20 %) |
|
Цена |
56 700 руб. |
Рисунок 3 – BeckhoffBX9000
3. WirenBoard
Функционал:
Таким образом, более простым в интеграции, имеющим более подходящий набор функционала (в частности, Z-wzve), является VeraEdge, средний по стоимости.
Наиболее дешёвым вариантом, который обладает необходимым функционалом, является плата WirenBoard. При решении проблемы программирования, она является оптимальным вариантом.
Выбираем VeraEdge.
В качестве пульта ДУ подходит любой пульт поддерживающий Z-wave. Например, Z-Wave.Me
|
Бренд |
Z-Wave.Me |
|
Рабочая частота |
869 МГц |
|
Тип батареек |
4 × AAA |
| Поддержка в Z-Way |
Да |
|
Z-Wave чип |
3 Поколение |
| Поддержка в Vera 3 и Lite |
Да |
|
Цена |
3300 руб. |
Описание видов передачи данных
Физическая спецификация технологии Ethernet определяется типом среды передачи и скоростью модуляции и обозначается 10Base-Х. Число 10 в названии означает битовую скорость передачи данных этих стандартов — 10 Мбит/с, а слово Base — метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц. Последний символ Х в названии стандарта физического уровня указывает на тип среды передачи.
10Base-5 — «толстый» коаксиальный кабель диаметром 10 мм (0,5 дюйма). Диаметр центрального медного провода 2,17 мм имеет волновое сопротивление 50 Ом. Кабель используется как моноканал для всех станций. Такие характеристики имеют кабели марок RG-8 й RG-11. Максимальная длина сегмента — 500 метров. На концах сегмента устанавливаются терминаторы («поглощающие») с волновым сопротивлением 50 Ом, они поглощают сигналы, распространяющиеся по кабелю, и предотвращают возникновение отраженных сигналов. Терминатор — это соединитель («папа») с запаянным в нем резистором. Станция подключается к кабелю при помощи приемника-передатчика, который называется трансивер (transmitter + receiver = transceiver). Трансивер может присоединяться к линии как методом физического контакта, так и бесконтактным методом.
Трансивер — это часть сетевого адаптера, выполняющего следующие функции:
Упрощенная структурная схема трансивера:
Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (AttachmentUnitInterface, интерфейс подключения сетевого оборудования) длиной до 50 м, состоящим из 4-х крученых пар.
Наличие стандартного интерфейса между трансивером и другой частью сетевого адаптера очень полезно во время перехода из одного типа среды передачи в другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, потому что она отрабатывает протокол уровня МАС. При этом только необходимо, чтобы новый трансивер (в частности для крученой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется соединитель DB-15.
Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов должно быть не меньше 2,5 м. На кабеле есть разметка через каждые 2,5 м, указывающая точки подключения трансиверов. Во время присоединения рабочих станций в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.
Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства — повторителя (repeator). Повторитель состоит из 2-х (или нескольких) трансиверов, подсоединенных к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации переданных битов повторитель задерживает передачу нескольких первых битов преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также уменьшается межкадровый интервал (InterPacketGap, IPG). Структурная схема повторителя:
Стандарт разрешает использовать в сети не более 4-х повторителей и, соответственно, не более 5-и сегментов кабеля. С максимальной длиной сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5-и могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами могут быть ненагруженные.
Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 называется правилом 5-4-3: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное количество повторителей объясняется вносимыми ими добавочными задержками распространения сигнала. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, что для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байта или 576 битов.
Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99-и узлов. Максимальное количество конечных узлов в сети 10Base-5 составляет 99×3 = 297 297 узлов.
Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальную длину отрезка крученой пары между двумя непосредственно соединенными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии крученой пары качеством не ниже категории 3. Эта длина определяется полосой
Этот код может использоваться в сетях со скоростью передачи менее 1 Гбит/с и предназначен как для передачи данных, так и для синхронизации. При этом каждый бит-символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению к первой. В первой половине кодированный сигнал представлен в дополнительном виде, а во второй — в обычном. Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании показаны на рис. 1.3.10. Верхний уровень сигнала соответствует +0,85 В, нижний —0,85 В.
Основное преимущество манчестерского кода — отсутствие постоянной составляющей в сигнале. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не нужно дополнительного источника питания для линии связи, резко уменьшается влияние низкочастотных помех, не проходящих через трансформатор, легко решается проблема согласования. Постоянная составляющая равняется среднему значению между двумя уровнями сигнала. Манчестерский код соединяет в бит-сигнале данные и синхронизацию.
При скорости передачи данных 10 Мбит/с манчестерское кодирование к смене частоты колебаний в линии от 5 МГц (соответствует последовательности из нулей и единиц: 1010101010...) до 10 МГц (соответствует переданной цепочке из одних нулей или из одних единиц).
Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом при помощи тех же портов, предназначенных для подключения конечных узлов. При этом необходимо следить, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.
Для обеспечения синхронизации станций во время реализации процедур доступа и надежного распознавания коллизий в стандарте определено максимальное количество концентраторов между любыми двумя станциями — 4. Максимальная протяженность сети 4×100 м + 100 = 500 м. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024.
Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, имеют по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet множество преимуществ. Эти преимущества связаны с делением общего физического кабеля (шины) на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству, что дает возможность контролировать состояние отдельных сегментов.
И хотя логично эти отрезки, как и раньше, образуют общую делимую среду, их физическое разделение дает возможность контролировать ее состояние и отключать их в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Это существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet.
В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков крученой пары, соединяющих трансивер конечного
узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности (linktest) и основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J (11000) и К (10001) манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой крученой пары. Если тест не проходит, порт блокируется и отключает проблемный узел от сети.
Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела определенные черты отказоустойчивой системы.
Соединение концентраторов по топологии «кольцо» в стандарте 10Base-T запрещено, потому что оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критично важными концентраторами для резервирования связи на случай отказа порта, концентратора или кабеля.
Физический уровень: Передача данных осуществляется на частоте 869.0 МГц (Россия). Модуляция FSK (частотная манипуляция). Скорость передачи: 42 кбит/с, 100 кбит/с и 9.6 кбит/с (для совместимостью со старыми устройствами). Скважность не более 1%. Предельная мощность передачи 1 мВт.
Канальный уровень: Используются пакеты с контролем целостности данных (контрольная сумма) и адресацией получателя и отправителя. В качестве получателя может использоваться multicast адрес или broadcast (в этом случае пакет принимается всеми участниками сети с включенным радио-модулем).
Сетевой уровень: Протокол Z-Wave определяет алгоритм маршрутизации, позволяющий передавать данные между устройствами вне прямой видимости. Все постоянно работающие узлы сети (бывают ещё спящие и "часто слушающие" узлы) могу участвовать в пересылке пакетов между другими участниками сети. Z-Wave использует механизм SourceRouting, т.е. маршрут следования определяется
отправителем. Broadcast и multicast пакеты не маршрутизируются. При невозможности найти нужный узел по маршрутам, записанным в памяти, существует механизм поиска узла по всей сети путём посылки специального пакета ExplorerFrame (см. ниже) всем узлам сети. После успешного нахождения узла новый маршрут записывается отправителем в память для последующего использования.
Транспортный уровень: На данном уровне Z-Wave гарантирует подтверждение доставки и повторную отправку в случае, если пакет не был доставлен до получателя. Каждый узел, участвующий в пересылке, подтверждает факт получения сообщения. Для уменьшения загрузки эфира в Z-Wave используется механизм "молчаливых подтверждений": узел (А), передавший пакет следующему узлу (Б) на пути следования пакета не ждёт подтверждения от него, а видит, что Б отправил пакет дальше узлу С и воспринимает это как факт подтверждения успешной пересылки пакета от А к Б. Получив пакет, конечный узел передаёт назад подтверждения доставки, которое путешествует назад тем же маршрутом до исходного отправителя. Таким образом отправитель всегда знает, дошёл ли пакет до точки назначения или нет.
Сеансовый уровень: Используется только при использовании шифрования, где определяются короткие сеансы с одноразовым ключом.
Прикладной уровень: Z-Wave также определяет алгоритм интерпретации получаемых на прикладном уровне команд. Данный уровень описан набором Классов Команд (CommandClasses). Для некоторых Классов существует несколько вариантов интерпретации команд, которые зависят от Класса Устройства (DeviceClass), определяющего тип устройства.
Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.
Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.
Стандарт RS-485 не оговаривает:
Интерфейс является полудуплексным: узел не может одновременно и принимать, и передавать данные.
При большой длине линии связи возникают эффекты длинных линий. Причина этому — распределенные индуктивные и ёмкостные свойства кабеля. Как следствие, сигнал, переданный в линию одним из узлов, начинает искажаться по мере распространения в линии, возникают сложные резонансные явления. Поскольку на практике кабель на всей длине имеет одинаковую конструкцию и, следовательно, одинаковые распределенные параметры погонной ёмкости и индуктивности, то это свойство кабеля характеризуют специальным параметром — волновым сопротивлением. Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сказать, что в кабеле, на приёмном конце которого подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, резонансные явления значительно ослабляются. Называется такой резистор терминатором. Для сетей RS485 они ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приёмными).
Wi-Fi: 802.11 a/b/g/n
Физический уровень 802.11 b
В спецификации 802.11b используется диапазон 2,4 ГГц. Для скорости до 11 Мбит/с, которая сопоставима со скоростью классического стандарта Ethernet, здесь применяется вариант метода DSSS, опирающийся на технику ComplementaryCodeKeying (ССК). Диапазон 2,4 ГГц с шириной полосы примерно в 80 МГц разбит на 14 каналов, каждый из которых, кроме последнего, отстоит от соседей на 5 МГц.
Для передачи данных согласно стандарту 802.11b используется полоса частот шириной в 22 МГц, поэтому одного канала шириной в 5 МГц оказывается недостаточно, приходится объединять несколько соседних каналов. Для того чтобы гарантировать некоторый минимум взаимных помех, возникающих от передатчиков, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, комитет 802.11 определил так называемую спектральную маску, определяющую разрешенный спектр мощности передатчика, работающего в каком-либо из каналов. Это спектр должен затухать не меньше чем на 30 дБ на расстоянии 11 МГц от центра канала, что и создает укрупненную полосу шириной в 22 МГц с центром в некотором из 14 каналов. В результате одновременно в одной и той же области покрытия могут работать несколько независимых беспроводных сетей стандарта 802.11b.
Физический уровень стандарта 802.11g
Стандарт 802.11g для физического уровня разработан рабочей группой института IEEE летом 2003 года. Он быстро завоевал популярность, так как обеспечивал те же скорости, то и стандарт 802.1а, то есть до 54 Мбит/с, но в диапазоне 2,4 ГГц, то есть в том диапазоне, где до этого удавалось достигать максимальной скорости в 11 Мбит/с на оборудовании стандарта 802.11b. В то же время стоимость оборудования стандарта 802.11g достаточно быстро стала соизмеримой со стоимостью оборудования стандарта 802.11b, что и стало причиной роста популярности новой спецификации.
В ней, так же как и в спецификации 802.11а, используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). До некоторого времени в США в диапазоне 2,4 ГГц разрешалось применять только технику расширения спектра, такую как FSSS или DSSS. Снятие этого ограничения дало импульс разработкам, в результате появилась новая высокоскоростная беспроводная технология для этого диапазона частот. Для обратной совместимости со стандартом 802.11b поддерживается также техника ССК.
Диаметр сети стандарта 802.11 зависит от многих параметров, в том числе от используемого диапазона частот. Обычно диаметр беспроводной локальной сети находится в пределах от 100 до300 м вне помещений и от 30 до 40 м внутри помещений.
Физический уровень стандарта 802.11n
Стандарт 802.11n, работы над которым были начаты еще в 2004 году, на данный момент времени этот стандарт утвержден.
Основной особенностью стандарта 802.11n является дальнейшее повышение скорости передачи данных (до 300 Мбит/с и выше). Оборудование стандарта 802.11n может работать как в диапазоне 5 ГГц, так и в диапазоне 2,4 ГГц, хотя рекомендуемым диапазоном является диапазон 5 ГГц благодаря большему числу доступных каналов и меньшей интерференции с многочисленным оборудованием, работающим сегодня в диапазоне 2,4 ГГц.
Для достижения высоких скоростей в технологии 802.1 In применено несколько новых механизмов.
Заключение
Список используемых источников