Разработка технологического устройства для мониторинга энергопотребления сенсорных сетей
Введение
В последнее время широкое распространение получили беспроводные сенсорные сети (БСС). Исследования по созданию сетей автономных датчиков начали активно развиваться с середины 90-х годов и были активно поддержаны Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA). Предполагалось, что миниатюрные датчики (сенсоры) снабженные контроллером и приемопередатчиком будут разбрасываться с самолета, собирать необходимую информацию и передавать ее в центр обработки.
Журналисты этим устройствам дали название ?Умная пыль? (Smart Dust), которое и стало синонимом новой технологии. Наиболее успешным оказался проект профессора Кристофера Пистера (университет штата Калифорния, Беркли), которого и считают по праву основателем технологии беспроводных сенсорных сетей.
Область покрытия такой сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности?ретрансляции?сообщений от одного узла сети к другому.
Содержание
Введение6
1. Аналитический раздел8
1.1. Применение, принципы действия и особенности аппаратуры БСС8
1.2. Анализ энергопотребления БСС13
1.3. Источники питания14
1.4. Определение тестируемых параметров, их диапазоны и точность измерения20
1.4.1. Потребление тока испытуемыми устройствами20
1.4.2. Точность технологического устройства25
1.5. Обзор возможных технических решений26
1.6. Формулировка уточненных требований к устройству27
1.7. Выбор технологии передачи информации от устройства в компьютер27
2. Специальный раздел30
2.1. Выбор элементной базы30
2.1.1. Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки30
2.1.2. Измерение тока в положительно полюсе нагрузки32
2.1.3. Интегральные мониторы тока34
2.1.4. Мониторы тока с ШИМ-выходом37
2.1.5. Выбор микроконтроллера39
2.2. Разработка структурной схемы44
2.3. Разработка принципиальной схемы44
2.3.1. Подключение микроконтроллера44
2.3.2. Монитор тока48
2.3.3. Подключение к USB49
2.4. Расчет основных параметров устройства51
2.5. Технологические средства, методика настройки, испытания и калибровки51
2.6. Требуемое программное обеспечение54
2.6.1. Технологическое программное обеспечение54
2.6.2. Управление АЦП62
2.7. Разработка методики тестирования аппаратуры сетей ZigBee66
3. Безопасность жизнедеятельности69
Заключение77
Библиографический список использованных источников78
список использованных источников
Головин О. В. Устройства генерирования, формирования, приема и обработки сигналов [Текст] / О. В. Головин. – Горячая линия - Телеком, 2012. – 783 с.
Energy Conservation in Wireless Sensor Networks: a Survey [Электронный ресурс] – URL: https://www.researchgate.net/publication/222652984_Energy_Conservation_in_Wireless_Sensor_Networks_A_Survey (дата обращения: 29.10.2021).
Смурыгин И. М. Концепция организации беспроводных сенсорных сетей и их применение [Электронный ресурс] – URL: http://ainsnt.ru/file/out/505802 (дата обращения: 30.10.2021).
Балонин Н. А., Сергеев М. Б. Беспроводные персональные сети [Электронный ресурс] – URL: http://dis.konflib.ru/metodichki-priborostroenie/30000788-1-balonin-sergeev-besprovodnie-personalnie-seti-uchebnoe-posobie-sankt-peterburg-2012-balonin-sergeev-b00-besprovodnie.php (дата обращения: 30.10.2021).
Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник [Электронный ресурс] – URL: https://www.technosphera.ru/lib/book/136 (дата обращения: 31.10.2021).
Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение [Электронный ресурс] – URL: https://booksee.org/book/467426 (дата обращения: 31.10.2021).
Котюк, А. Ф. Датчики в современных измерениях [Текст]. – М: Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 2006. 96 с.
Агафонов, Н. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, BlueTooth, Wi-Fi [Электронный ресурс] – URL: https://wireless-e.ru/wp-content/uploads/2006_1_10.pdf (дата обращения: 29.10.2021).
Популярные и перспективные стандарты беспроводных сенсорных сетей [Электронный ресурс] / НОУ ИНТУИТ. – URL: https://intuit.ru/studies/courses/12175/1168/lecture/19592?page=1 (дата обращения: 05.11.2021).
Анализ способов построения беспроводных сенсорных сетей [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sposobov-postroeniya-besprovodnyh-sensornyh-setey (дата обращения: 04.11.2021).
Подводя итог этого подраздела можно сделать вывод, что проектируемое технологическое устройство должно регистрировать зависимость тока от времени в пределах, по крайней мере, от 1 мкА до 50 мА с частотой дискретизации, которая должна быть достаточной для обнаружения импульсов тока длительностью 10 мс и измерения длительности этих импульсов.
Точность технологического устройства
Разрабатываемое устройство предназначено для сравнения различных технических решений в ходе их испытаний. Обычно преимущество того или иного технического решения по потребляемой энергии можно признать существенным, если достигнуто снижение этой энергии хотя бы на 20…50%, а лучше в разы.
Поэтому нет смысла стремиться к слишком высокой точности разрабатываемого устройства.