Помощь студентам в учебе
Распределенный комплекс вибрационного анализа с обеспечением защиты данных при их передаче по открытому каналу связи
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 8
1.1. Постановка задачи 8
1.2. Мониторинг состояния 8
1.3. Методы мониторинга состояния 11
1.4. Аналоги в области вибрационного анализа 13
1.5. Описание и преимущества предлагаемого подхода 15
2. СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 16
2.1. Структура децентрализованной системы датчиков 16
2.2. Выбор элементной базы и построение структурной и полной
принципиальной схемы датчика 20
2.3. Разработка конструктивного исполнения датчиков 28
2.4. Разработка низкоуровневого программного обеспечения
датчиков 32
2.5. Защита передаваемых данных. Реализация RSA 35
2.6. Интегрирование с программным обеспечением
вибрационного анализа 44
3. ТЕСТИРОВАНИЕ РЕАЛИЗОВАННОГО КОМПЛЕКСА 47
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 56
СПИСОК РИСУНКОВ 57
СПИСОК ТАБЛИЦ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ А 59
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 8
1.1. Постановка задачи 8
1.2. Мониторинг состояния 8
1.3. Методы мониторинга состояния 11
1.4. Аналоги в области вибрационного анализа 13
1.5. Описание и преимущества предлагаемого подхода 15
2. СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 16
2.1. Структура децентрализованной системы датчиков 16
2.2. Выбор элементной базы и построение структурной и полной
принципиальной схемы датчика 20
2.3. Разработка конструктивного исполнения датчиков 28
2.4. Разработка низкоуровневого программного обеспечения
датчиков 32
2.5. Защита передаваемых данных. Реализация RSA 35
2.6. Интегрирование с программным обеспечением
вибрационного анализа 44
3. ТЕСТИРОВАНИЕ РЕАЛИЗОВАННОГО КОМПЛЕКСА 47
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 56
СПИСОК РИСУНКОВ 57
СПИСОК ТАБЛИЦ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ А 59
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Грузовые перевозки являются неотъемлемой частью многих процессов в жизни современного общества. С каждым днем возрастает роль грузовых автомобилей. Большегрузный транспорт отличается значительной востребованностью в мире бизнеса, этому способствует его высокая экономичность, надежность и долговечность.
Для того, чтобы транспортные средства всегда надежно выполняли свою работу, необходимо внимательно следить за состоянием автопарка. Сейчас грузовые автомобили - это сложнейшие системы, в состав которых входят различные механические узлы, пневматика, гидравлика, а также специальные бортовые электронные системы для управления этими системами. Естественно, что обслуживание современных грузовых автомобилей непростой процесс, но своевременная диагностика позволяет выявить неисправности и дефекты, которые могут привести к поломке на трассе или к худшему - к аварии. Грузовые автомобили недешевы, и выявление неисправностей на ранних стадиях поможет определить слабые и уязвимые места и предотвратить выход из строя дорогостоящих механизмов или узлов и сократить затраты на ремонт.
Для парков грузовых автомобилей принципиальным является вопрос реализации краткосрочной и долгосрочной стратегий технического обслуживания. Актуальной проблемой является быстрое и эффективное получение как качественной, так и детальной информации о состоянии машин.
Повышенная вибрация любого оборудования, является негативным фактором, ухудшающим работу как отдельных его узлов, так и в целом всей машины, и способна привести к аварийному выходу из строя, поэтому для определения состояния грузовых автомобилей может применяться вибродиагностика. Она позволяет выявлять самые разнообразные дефекты оборудования, например, такие, как нарушение в сопряжениях кинематических пар, дисбаланс, ускоренный износ, нестабильность потока, дефекты смазки, а также определять качества закрепления, амортизации, паразитных резонансов и деградации с течением времени в процессе эксплуатации.
Целью данной работы является разработка децентрализованной криптозащищенной системы беспроводных датчиков для обеспечения вибродиагностики двигательных систем и других элементов трансмиссии грузовых автомобилей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать схему опроса и структуру децентрализованной сети датчиков, учитывая необходимость обеспечения безопасной передачи данных.
2. Произвести выбор элементной базы и построить принципиальную схему беспроводных датчиков, способных обеспечить вибрационный анализ двигательных систем .
3. Разработать конструктивное исполнение датчиков.
4. Разработать программное обеспечение (прошивку)
функционирования датчиков.
5. Обеспечить защищенность данных при передаче внутри
организованной сети датчиков, основываясь на алгоритме шифрования с открытым ключом RSA.
6. Произвести интеграцию с существующим программным
обеспечением вибрационного анализа.
Объект исследования - системы вибрационного мониторинга транспортных систем и механизмов.
Предмет исследования - системы децентрализованных датчиков для вибрационного мониторинга двигательных установок и других элементов трансмиссии грузовых автомобилей.
Решаемой в работе проблемой является быстрое и эффективное получение как качественной, так и детальной информации о состоянии грузовых машин.
Научная новизна работы состоит в использовании акселерометрических беспроводных энергонезависимых сенсоров для решения задачи комплексной диагностики грузовых транспортных средств в процессе эксплуатации.
Практическая значимость работы состоит в создании комплекса вибрационного анализа, обладающего повышенными характеристиками технологичности в производстве, обслуживании и применении.
В первой главе работы рассматриваются методы проведения мониторинга состояния, производится обзор представленных на рынке систем вибрационного анализа с выявлением достоинств и недостатков, приводятся преимущества разрабатываемого комплекса .
Во второй главе описывается разработка комплекса, включая программную и аппаратную часть: описывается архитектура датчиков, приводиться разработанная принципиальная схема, описывается разработка печатной платы, топологии беспроводной сети, программного обеспечения и процесса интеграции с высокоуровневым программным обеспечением. Именно в этой главе описывается и встраивается в программное обеспечение алгоритм шифрования с открытым ключом RSA.
В третьей главе проводиться тестирование разработанного комплекса, описывается процесс и приводятся результаты.
Для того, чтобы транспортные средства всегда надежно выполняли свою работу, необходимо внимательно следить за состоянием автопарка. Сейчас грузовые автомобили - это сложнейшие системы, в состав которых входят различные механические узлы, пневматика, гидравлика, а также специальные бортовые электронные системы для управления этими системами. Естественно, что обслуживание современных грузовых автомобилей непростой процесс, но своевременная диагностика позволяет выявить неисправности и дефекты, которые могут привести к поломке на трассе или к худшему - к аварии. Грузовые автомобили недешевы, и выявление неисправностей на ранних стадиях поможет определить слабые и уязвимые места и предотвратить выход из строя дорогостоящих механизмов или узлов и сократить затраты на ремонт.
Для парков грузовых автомобилей принципиальным является вопрос реализации краткосрочной и долгосрочной стратегий технического обслуживания. Актуальной проблемой является быстрое и эффективное получение как качественной, так и детальной информации о состоянии машин.
Повышенная вибрация любого оборудования, является негативным фактором, ухудшающим работу как отдельных его узлов, так и в целом всей машины, и способна привести к аварийному выходу из строя, поэтому для определения состояния грузовых автомобилей может применяться вибродиагностика. Она позволяет выявлять самые разнообразные дефекты оборудования, например, такие, как нарушение в сопряжениях кинематических пар, дисбаланс, ускоренный износ, нестабильность потока, дефекты смазки, а также определять качества закрепления, амортизации, паразитных резонансов и деградации с течением времени в процессе эксплуатации.
Целью данной работы является разработка децентрализованной криптозащищенной системы беспроводных датчиков для обеспечения вибродиагностики двигательных систем и других элементов трансмиссии грузовых автомобилей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать схему опроса и структуру децентрализованной сети датчиков, учитывая необходимость обеспечения безопасной передачи данных.
2. Произвести выбор элементной базы и построить принципиальную схему беспроводных датчиков, способных обеспечить вибрационный анализ двигательных систем .
3. Разработать конструктивное исполнение датчиков.
4. Разработать программное обеспечение (прошивку)
функционирования датчиков.
5. Обеспечить защищенность данных при передаче внутри
организованной сети датчиков, основываясь на алгоритме шифрования с открытым ключом RSA.
6. Произвести интеграцию с существующим программным
обеспечением вибрационного анализа.
Объект исследования - системы вибрационного мониторинга транспортных систем и механизмов.
Предмет исследования - системы децентрализованных датчиков для вибрационного мониторинга двигательных установок и других элементов трансмиссии грузовых автомобилей.
Решаемой в работе проблемой является быстрое и эффективное получение как качественной, так и детальной информации о состоянии грузовых машин.
Научная новизна работы состоит в использовании акселерометрических беспроводных энергонезависимых сенсоров для решения задачи комплексной диагностики грузовых транспортных средств в процессе эксплуатации.
Практическая значимость работы состоит в создании комплекса вибрационного анализа, обладающего повышенными характеристиками технологичности в производстве, обслуживании и применении.
В первой главе работы рассматриваются методы проведения мониторинга состояния, производится обзор представленных на рынке систем вибрационного анализа с выявлением достоинств и недостатков, приводятся преимущества разрабатываемого комплекса .
Во второй главе описывается разработка комплекса, включая программную и аппаратную часть: описывается архитектура датчиков, приводиться разработанная принципиальная схема, описывается разработка печатной платы, топологии беспроводной сети, программного обеспечения и процесса интеграции с высокоуровневым программным обеспечением. Именно в этой главе описывается и встраивается в программное обеспечение алгоритм шифрования с открытым ключом RSA.
В третьей главе проводиться тестирование разработанного комплекса, описывается процесс и приводятся результаты.
В ходе данной работы была разработана децентрализованная криптозащищенная система беспроводных датчиков для обеспечения вибрационной диагностики двигательных систем и других элементов трансмиссии грузовых автомобилей. Все поставленные задачи были выполнены и цель достигнута.
В первой части работы была рассмотрена необходимость и значимость мониторинга состояния, был проведен обзор систем вибрационного анализа и описаны преимущества разрабатываемого комплекса. Мониторинг с помощью анализа вибраций в настоящее время успешно внедряется во многие сферы. Предложенный способ организации такой системы, основанный на использовании беспроводных и энергонезависимых датчиков, уникален, подобных аналогов найдено не было.
Во второй главе работы описывались этапы разработки комплекса датчиков. Особое внимание в изложении уделялось информационной безопасности.
Разработанный комплекс позволяет регистрировать колебания в диапазоне ±2g, ±4g или ±8g с частотами выборки от 0.781 Гц до 25600 Гц. Выбранный микроконтроллер CC2538 позволяет не только быстро обрабатывать данные, но и с помощью его радиочастотного модуля строится ZigBee mesh сеть. Печатная плата, а значит и корпус датчиков имеют компактные размеры, что в совокупности с магнитным креплением или винтовым креплением корпуса делает удобной и надежной установку датчика на исследуемый объект. Самостоятельно было реализовано программное обеспечения для координатора системы и датчиков. Для этого потребовалось изучить работу интерфейса UART, шины I2C, протокола ZigBee. На последнем этапе разработки комплекса была произведена интеграция с программным обеспечением виброанализа «Резонанс». Эта программа, интерпретируя данные о вибрации, диагностирует состояние объекта.
Для защиты передаваемых данных в сети комплекса был реализован, согласно поставленной задаче, алгоритм шифрования RSA-OAEM. Использование алгоритма с открытым ключом, позволило избежать необходимость в защите при распределении ключей, также его использование в рамках данной системы позволило иметь одну пару ключей - закрытый для координатора сети и открытый для остальных датчиков.
В части обеспечения защиты передачи данных перспективным направлением продолжения разработки является добавление симметричного алгоритма шифрования AES или ГОСТ 28147-89 для повышения криптозащищенности системы. Для безопасной передачи ключей симметричных алгоритмов можно использовать уже реализованный в данной системе алгоритм шифрования с открытым ключом RSA-OAEM.
В результате испытаний на установке «Dremel 4000» была показана работоспособность комплекса. Точность измерений не оценивалась, было показано что снятые с датчиков измерения соответствуют значениям в технической спецификации, что говорит о правильности работы системы.
В первой части работы была рассмотрена необходимость и значимость мониторинга состояния, был проведен обзор систем вибрационного анализа и описаны преимущества разрабатываемого комплекса. Мониторинг с помощью анализа вибраций в настоящее время успешно внедряется во многие сферы. Предложенный способ организации такой системы, основанный на использовании беспроводных и энергонезависимых датчиков, уникален, подобных аналогов найдено не было.
Во второй главе работы описывались этапы разработки комплекса датчиков. Особое внимание в изложении уделялось информационной безопасности.
Разработанный комплекс позволяет регистрировать колебания в диапазоне ±2g, ±4g или ±8g с частотами выборки от 0.781 Гц до 25600 Гц. Выбранный микроконтроллер CC2538 позволяет не только быстро обрабатывать данные, но и с помощью его радиочастотного модуля строится ZigBee mesh сеть. Печатная плата, а значит и корпус датчиков имеют компактные размеры, что в совокупности с магнитным креплением или винтовым креплением корпуса делает удобной и надежной установку датчика на исследуемый объект. Самостоятельно было реализовано программное обеспечения для координатора системы и датчиков. Для этого потребовалось изучить работу интерфейса UART, шины I2C, протокола ZigBee. На последнем этапе разработки комплекса была произведена интеграция с программным обеспечением виброанализа «Резонанс». Эта программа, интерпретируя данные о вибрации, диагностирует состояние объекта.
Для защиты передаваемых данных в сети комплекса был реализован, согласно поставленной задаче, алгоритм шифрования RSA-OAEM. Использование алгоритма с открытым ключом, позволило избежать необходимость в защите при распределении ключей, также его использование в рамках данной системы позволило иметь одну пару ключей - закрытый для координатора сети и открытый для остальных датчиков.
В части обеспечения защиты передачи данных перспективным направлением продолжения разработки является добавление симметричного алгоритма шифрования AES или ГОСТ 28147-89 для повышения криптозащищенности системы. Для безопасной передачи ключей симметричных алгоритмов можно использовать уже реализованный в данной системе алгоритм шифрования с открытым ключом RSA-OAEM.
В результате испытаний на установке «Dremel 4000» была показана работоспособность комплекса. Точность измерений не оценивалась, было показано что снятые с датчиков измерения соответствуют значениям в технической спецификации, что говорит о правильности работы системы.