Помощь студентам в учебе
Модернизация систем управления путем внедрения модуля беспроводной связи
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 9
1.1 Классификация БСПИ 9
1.2 Стандартизация 10
1.3 ЭМВОС 11
2 СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ 17
2.1 Технология Bluetooth 17
2.2 Bluetooth Low Energy (BLE) 23
2.3 Сверхширокополосная связь 31
2.4 Сотовая связь 33
2.5 Wi-Fi. Беспроводные локальные сети на базе стандартов IEEE 802.11 37
2.6 Широкополосная беспроводная связь - стандарт IEEE 802.16 41
2.7 Стандарт IEEE 802.22 43
2.8 Протоколы, базирующиеся на стандарте IEEE 802.15.4 45
2.9 Беспроводные сенсорные сети 50
3 ПРИНЦИПЫ ВКЛЮЧЕНИЯ МОДУЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ 52
3.1 Обзор контроллеров 52
3.2 Обзор модулей 55
3.3 Обзор модуля RN4870 56
3.4 Подключение модуля RN4870 59
3.5 Тестирование модуля 61
4 ПРИМЕНЕНИЕ МОДУЛЯ RN4870 67
4.1 Замена проводного соединения между датчиками и контроллером 67
4.2 Настройка прозрачного канала 70
4.3 Беспроводной доступ к труднодоступным датчикам 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 78
ВВЕДЕНИЕ 7
1 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 9
1.1 Классификация БСПИ 9
1.2 Стандартизация 10
1.3 ЭМВОС 11
2 СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ 17
2.1 Технология Bluetooth 17
2.2 Bluetooth Low Energy (BLE) 23
2.3 Сверхширокополосная связь 31
2.4 Сотовая связь 33
2.5 Wi-Fi. Беспроводные локальные сети на базе стандартов IEEE 802.11 37
2.6 Широкополосная беспроводная связь - стандарт IEEE 802.16 41
2.7 Стандарт IEEE 802.22 43
2.8 Протоколы, базирующиеся на стандарте IEEE 802.15.4 45
2.9 Беспроводные сенсорные сети 50
3 ПРИНЦИПЫ ВКЛЮЧЕНИЯ МОДУЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ 52
3.1 Обзор контроллеров 52
3.2 Обзор модулей 55
3.3 Обзор модуля RN4870 56
3.4 Подключение модуля RN4870 59
3.5 Тестирование модуля 61
4 ПРИМЕНЕНИЕ МОДУЛЯ RN4870 67
4.1 Замена проводного соединения между датчиками и контроллером 67
4.2 Настройка прозрачного канала 70
4.3 Беспроводной доступ к труднодоступным датчикам 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 78
На протяжении последних десятилетий средства передачи информации продолжают постоянно развиваться. Среди них особое место занимает беспроводная связь. Продолжают модернизироваться такие технологии, как Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX, ZigBee. Появляются новые. За все время существования беспроводных технологий связи они смогли проникнуть во многие сферы жизни.
Благодаря активному развитию различных стандартов беспроводной связи они стали все чаще использоваться в промышленности и быту. И хотя заменить проводные технологии полностью не представляется возможным, в отдельных областях применения беспроводная связь заняла достойную нишу и соответствует предъявляемым требования по надежности, безопасности, скорости передачи данных и т.д.
Современные средства беспроводной связи - это достаточно сложные технические устройства. Проектирование таких систем и их поддержка требует квалификации. Необходимо знать методы построения сетей, технические особенности устройств, способы их настройки и программирования.
Беспроводные линии связи не требуют прокладки кабельных линий, стоимость их эксплуатации ниже, развертывание и конфигурация сети быстрее, с их использованием появляется возможность преодоления пространственных препятствий. И хотя вышеперечисленные преимущества не перекрывают недостатков беспроводной связи полностью, её применение в зависимости от поставленных задач зачастую является наиболее рациональным.
Актуальность выпускной квалификационной работы заключается в том, что постоянное развитие беспроводных технологий связи и их повсеместное использование вынуждает более подробно разобраться в них для применения этих знаний на работе и в быту.
Понимание того, как эти технологии функционируют и используются, может помочь и в будущей профессиональной деятельности, и в повседневной жизни.
Цели выпускной квалификационной работы:
• рассмотреть современное состояние стандартов беспроводной связи, области их применения, преимущества и недостатки;
• подробно разобрать технологию Bluetooth, в частности Bluetooth Low Energy (BLE);
• рассмотреть принцип подключения и работы модуля беспроводной связи на примере Bluetooth-модуля RN4870;
• разработать проект по внедрению беспроводной связи в существующие или потенциально возможные решения на предприятии.
Благодаря активному развитию различных стандартов беспроводной связи они стали все чаще использоваться в промышленности и быту. И хотя заменить проводные технологии полностью не представляется возможным, в отдельных областях применения беспроводная связь заняла достойную нишу и соответствует предъявляемым требования по надежности, безопасности, скорости передачи данных и т.д.
Современные средства беспроводной связи - это достаточно сложные технические устройства. Проектирование таких систем и их поддержка требует квалификации. Необходимо знать методы построения сетей, технические особенности устройств, способы их настройки и программирования.
Беспроводные линии связи не требуют прокладки кабельных линий, стоимость их эксплуатации ниже, развертывание и конфигурация сети быстрее, с их использованием появляется возможность преодоления пространственных препятствий. И хотя вышеперечисленные преимущества не перекрывают недостатков беспроводной связи полностью, её применение в зависимости от поставленных задач зачастую является наиболее рациональным.
Актуальность выпускной квалификационной работы заключается в том, что постоянное развитие беспроводных технологий связи и их повсеместное использование вынуждает более подробно разобраться в них для применения этих знаний на работе и в быту.
Понимание того, как эти технологии функционируют и используются, может помочь и в будущей профессиональной деятельности, и в повседневной жизни.
Цели выпускной квалификационной работы:
• рассмотреть современное состояние стандартов беспроводной связи, области их применения, преимущества и недостатки;
• подробно разобрать технологию Bluetooth, в частности Bluetooth Low Energy (BLE);
• рассмотреть принцип подключения и работы модуля беспроводной связи на примере Bluetooth-модуля RN4870;
• разработать проект по внедрению беспроводной связи в существующие или потенциально возможные решения на предприятии.
В настоящее время беспроводные технологии применяются практически во всех сферах жизни. Модернизация стандартов и технологический прогресс постоянно расширяют границы применения беспроводной связи. Увеличивается радиус действия устройств, их скорость, энергоэффективность и надежность. Снижается стоимость беспроводных устройств.
Каждый стандарт и каждая технология построены на серьезной физической и математической основе. Несмотря на это, сложность применения беспроводных устройств для конечного пользователя остается довольно низкой.
Некоторые беспроводные технологии уже давно заняли свою нишу в повседневной жизни и быту. Wi-Fi, 3/4G, Bluetooth - эти стандарты поддерживает любой современный смартфон.
В промышленности, несмотря на повышенные требования, степень внедрения беспроводной связи растет с каждым годом. Ее использование зачастую не только делает производственные процессы удобнее, но и эффективнее. В некоторых задачах беспроводная связь остается незаменимой. Области ее применения крайней разнообразны.
Огромную популярность набирает концепция интернета вещей (IoT - Internet of Things), когда устройства (и бытовые, и промышленные) объединяются в общую сеть и могут взаимодействовать друг с другом через Интернет. В развитии IoT главная роль отведена беспроводным технологиям.
В выпускной квалификационной работе были рассмотрены основные стандарты беспроводных технологий, используемые в настоящее время в промышленности и повседневной жизни. Затронуты вопросы классификации и стандартизации. Описаны общие принципы их функционирования, приведены конкретные примеры применения.
В результате сравнения описанных технологий для решения поставленных в ВКР задач была выбрана спецификация Bluetooth.
Bluetooth является одним из старейших стандартов беспроводной связи, который изначально предлагался как альтернатива стандарту RS-232. Развитие стандарта Bluetooth расширяет его область применения в том числе и в промышленности. Поэтому его использование в ВКР обосновано не только выбранным способом решения поставленных задач, но и возможностью использования технологии в дальнейшем в других проектах.
В выпускной квалификационной работе рассмотрено применение Bluetooth- модуля RN4870. Его использование в системах управления водоснабжением и водоотведением для замены проводной связи может упростить работу со сбором данных с датчиков и их передачи на хост-устройство (основной контроллер, смартфон).
Выбор BLE-модуля RN4870 в первую очередь обусловлен простотой его использования. Возможность настраивать модуль с использованием ASCII-команд позволяет решать поставленные задачи с минимальными знаниями функционирования Bluetooth-связи, что, однако накладывает определенные ограничения на функциональность модуля в частности и системы в целом. Встроенная антенна также упрощает процесс внедрения модуля и его дальнейшее использование. Основным достоинством спецификации Bluetooth Low Energy является низкое энергопотребление, что позволяет использовать модули и устройства без замены источника питания на протяжении длительного времени.
Предложенные проекты по внедрению беспроводной связи в существующие и потенциальные решения предприятия направлены на повышение удобства эксплуатации систем управления и их эффективности.
Замена проводного соединения в производственных помещениях с датчиками на трубах облегчает к ним доступ, снижает вероятность случайного повреждения системы и позволяет быстро менять или добавлять новые датчики.
Доступ к датчикам удаленного объекта посредством приложения на смартфоне позволяет получать данные там, где установка привычных систем управления является невозможной.
Предложенные решения являются концепцией, их практическая реализация может быть иной. В зависимости от используемых на объектах датчиках (тип, количество, уровень выходного сигнала) могут быть использованы другие модули (начиная от аналогичных программируемых модулей, заканчивая дорогостоящими промышленными). Возможно использование вспомогательного
микроконтроллера, в случае если возможностей модуля беспроводной связи окажется недостаточно. Общие схемы и схемы подключения приведены в работе.
Дальнейшее развитие систем предполагает более детальное изучение объектов и адаптацию предложенных в ВКР вариантов.
Каждый стандарт и каждая технология построены на серьезной физической и математической основе. Несмотря на это, сложность применения беспроводных устройств для конечного пользователя остается довольно низкой.
Некоторые беспроводные технологии уже давно заняли свою нишу в повседневной жизни и быту. Wi-Fi, 3/4G, Bluetooth - эти стандарты поддерживает любой современный смартфон.
В промышленности, несмотря на повышенные требования, степень внедрения беспроводной связи растет с каждым годом. Ее использование зачастую не только делает производственные процессы удобнее, но и эффективнее. В некоторых задачах беспроводная связь остается незаменимой. Области ее применения крайней разнообразны.
Огромную популярность набирает концепция интернета вещей (IoT - Internet of Things), когда устройства (и бытовые, и промышленные) объединяются в общую сеть и могут взаимодействовать друг с другом через Интернет. В развитии IoT главная роль отведена беспроводным технологиям.
В выпускной квалификационной работе были рассмотрены основные стандарты беспроводных технологий, используемые в настоящее время в промышленности и повседневной жизни. Затронуты вопросы классификации и стандартизации. Описаны общие принципы их функционирования, приведены конкретные примеры применения.
В результате сравнения описанных технологий для решения поставленных в ВКР задач была выбрана спецификация Bluetooth.
Bluetooth является одним из старейших стандартов беспроводной связи, который изначально предлагался как альтернатива стандарту RS-232. Развитие стандарта Bluetooth расширяет его область применения в том числе и в промышленности. Поэтому его использование в ВКР обосновано не только выбранным способом решения поставленных задач, но и возможностью использования технологии в дальнейшем в других проектах.
В выпускной квалификационной работе рассмотрено применение Bluetooth- модуля RN4870. Его использование в системах управления водоснабжением и водоотведением для замены проводной связи может упростить работу со сбором данных с датчиков и их передачи на хост-устройство (основной контроллер, смартфон).
Выбор BLE-модуля RN4870 в первую очередь обусловлен простотой его использования. Возможность настраивать модуль с использованием ASCII-команд позволяет решать поставленные задачи с минимальными знаниями функционирования Bluetooth-связи, что, однако накладывает определенные ограничения на функциональность модуля в частности и системы в целом. Встроенная антенна также упрощает процесс внедрения модуля и его дальнейшее использование. Основным достоинством спецификации Bluetooth Low Energy является низкое энергопотребление, что позволяет использовать модули и устройства без замены источника питания на протяжении длительного времени.
Предложенные проекты по внедрению беспроводной связи в существующие и потенциальные решения предприятия направлены на повышение удобства эксплуатации систем управления и их эффективности.
Замена проводного соединения в производственных помещениях с датчиками на трубах облегчает к ним доступ, снижает вероятность случайного повреждения системы и позволяет быстро менять или добавлять новые датчики.
Доступ к датчикам удаленного объекта посредством приложения на смартфоне позволяет получать данные там, где установка привычных систем управления является невозможной.
Предложенные решения являются концепцией, их практическая реализация может быть иной. В зависимости от используемых на объектах датчиках (тип, количество, уровень выходного сигнала) могут быть использованы другие модули (начиная от аналогичных программируемых модулей, заканчивая дорогостоящими промышленными). Возможно использование вспомогательного
микроконтроллера, в случае если возможностей модуля беспроводной связи окажется недостаточно. Общие схемы и схемы подключения приведены в работе.
Дальнейшее развитие систем предполагает более детальное изучение объектов и адаптацию предложенных в ВКР вариантов.
