"Умные медузы", Коновалова М. Сети-10. Отчет ДЗ №1

[Гриб-Людоед]

Сети-10. "Умные медузы" - отчет ДЗ №1

Легенда

В конце апреля нынешнего года в Мексиканском заливе произошла крупнейшая за долгое время техногенная катастрофа. Произошла авария на нефтедобывающей станции, и тысячи тонн нефти стремительно стали вырываться в океан. Катастрофа приняла всемирный масштаб. Экологи и обозреватели следят за этой ситуацией и дают совершенно неутешительные прогнозы. Нефть разливается в Мировом океане с большой скоростью. Огромные площади воды у берегов США уже покрыты ядовитой плёнкой. Умирают птицы, рыбы… На берегах залива в некоторых районах уже невозможно жить – идут кислотные дожди, люди жалуются на ожоги дыхательных путей и слизистой. Песок смешан с «чёрным золотом». Обстановка нагнетается с каждым днём. Компания BP, повинная в трагедии, уверяет общественность в том, что в августе щель была заделана. Однако, всё больше во всемирной сети появляется информации о «недоделанной работе» нефтедобывающей компании. Будто бы скважину вообще невозможно заделать, и нужно лишь ждать, когда вся нефть месторождения вытечет в океан. По оценкам экспертов, объём нефти эквивалентен размеру горы Эльбрус. И после «полного вытекания» мир ожидают непоправимые изменения. Уничтожение современного климата, уничтожение морской живности, прибрежной флоры и фауны, уход людей вглубь материка и т.д.

(IMG:http://museum.rosneft.ru/pics/1970/1979_3_big.jpg)
Рис. 1. Масштабы трагедии в Мексиканском заливе

Для того чтобы вовремя предпринимать необходимые меры в случае экстренных ситуаций, экологи решили обратиться за помощью к нам, в компанию Festo. Им понадобилось разработать и реализовать проект автономных станций, предназначенных для слежения за состоянием воды в тех или иных местах Мирового океана. Прежде всего им необходима автономность(!) и надёжность. Так что наши сотрудники, в том числе и я – специалист по связи, принялись за работу. В результате мы запатентовали и запустили в производство продукт под названием AquaJelly.

Конструкция
В результате разработки был синтезирован следующий проект конструкции. AquaJelly, представляет собой искусственную медузу, которую приводит в движение электромотор и адаптивная механическая система. Она состоит из полупрозрачной полусферы – водонепроницаемого купола - и восьми щупалец для реализации движения. В водонепроницаемой емкости, сделанного из металло-керамики, укрыты двигатель, электромеханический привод, управление питанием, пара Li-Ion батарей. Для зарядки батареи от док-станции на поверхности воды, «медуза» имеет два серебряных кольца, покрытых проводящим металлическим слоем. По проекту для подзарядки робота необходимо подключение этих колец к станции. Процесс полной зарядки батареи длится три часа.

Система передвижения и ориентации робота контролируется встроенным процессором.

Роботы оборудованы специальными маятниками с приводом, позволяющими медузам-роботам менять положение центра тяжести. Это помогает им поворачивать в воде. Движение же самой «медузы» осуществляется за счёт работы электромеханического привода, который приводит в движение упругие "щупальца", совершающие очень плавные движения, максимально точно подражающие естественным. По проекту, изделие оснащено восемью такими щупальцами.

Также предусмотрен «интеллект» изделия:
-роботы могут определять глубину погружения вплоть до нескольких миллиметров;
-при низкой зарядке батареи «медузы» сами всплывают к станции и заряжаются;
-имеется способность контролировать положение своих «сородичей» и уклонятся от столкновения при срабатывании датчика.

(IMG:http://up.dvice.ru/334/1219931441.jpg)
Рис. 2. Умные медузы под водой

Как специалистом по сетевым технологиям, мною были предложены следующие варианты реализации сетевого сопряжения:
Bluetooth; ZigBee; Wi-Fi.

Рассмотрим эти три пункта.

Bluetooth,

История
Буквальный перевод Bluetooth с английского - "синий зуб". Однако своим названием технология Bluetooth обязана вовсе не дантистам, а историческому недоразумению. Так английские летописцы "обозвали" датского короля викингов, жившего в 910-940 годах. Король Гаральд Блютус (Harald Bluetooth) вошел в историю как собиратель земель скандинавских. В частности, ему приписывается объединение Дании и Норвегии (а технология Bluetooth должна объединить телекоммуникационную и компьютерную индустрию). Вероятно, по аналогии с этим технология Bluetooth также призвана объединить мир мобильной электроники.
Есть две версии происхождения "синезубого" королевского прозвища. Первая - у него действительно были зубы патологического цвета. Но правдоподобнее всего выглядит другая версия: Bluetooth - исковерканное на английский манер прозвище короля на языке викингов: у короля "волею природы" была смуглая кожа и темные волосы, что нетипично для расы викингов (белокожих и светловолосых). За этот "генетический кульбит" Гаральда прозвали Чернявеньким (или что-то типа того, в скандинавском оригинале - Bletand). Вероятно, английские летописцы язык ломать не стали и придумали королю "кличку" попроще.
В начале 1998 года Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia - крупнейшие компании компьютерного и телекоммуникационного рынка - объединились для совместной разработки технологии беспроводного соединения мобильных устройств. 20 мая 1998 года произошло официальное представление специальной рабочей группы (SIG - Special Interest Group), призванной обеспечить беспрепятственное внедрение технологии, получившей название Bluetooth. Вскоре в группу вошли 3COM/Palm, Axis Communication, Motorola, Compaq, Dell, Qualcomm, Lucent Technologies, UK Limited, Xircom. Сейчас группа включает в себя более 1400 компаний, принимающих участие в работе над бесплатной открытой спецификацией Bluetooth. Благодаря простоте и изяществу этой технологии, многие специалисты уверены, что Bluetooth не имеет конкуренции в области создания небольших локальных сетей и беспроводного объединения устройств в пределах дома, офиса или, скажем, машины.

Технология
Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57, 6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432, 6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, каковым является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.
Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.
Все хорошо, но диапазон 2.4 Ггц является не лицензируемым и может свободно использоваться всеми желающими. Управляет им лишь Федеральная комиссия по коммуникациям (FCC - Federal Communication Commission), ограничивая часть диапазона, которую может использовать каждое устройство. Беда в том, что этих устройств стало очень много - начиная от беспроводных сетей, поддерживающих стандарты 802.11 и 802.11b и устройств Bluetooth и вплоть до микроволновых печей! Сейчас комиссия рассматривает просьбу увеличить используемый диапазон для Home RF (спецификация, используемая в аудио- и видеотехнике). Это увеличение может повлиять на другие устройства, работающие в этом диапазоне, количество которых увеличивается. При этом FCC заявила, что использование не лицензируемой частоты несет несомненный риск и не исключена возможность помех и конфликтов между устройствами. Фирмы, поддерживающие технологи беспроводных сетей, в том числе и Bluetooth, активно протестуют против увеличения диапазона Home RF, но что будет - еще не известно.

Wi-Fi

История

Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi — Вик Хейз (Vic Hayes) находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и IEEE 802.11g. В 2003 году Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. 802.11abg all-in-one чипсет от Agere (кодовое имя: WARP) плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

Технология

Технология Wi-Fi – беспроводной аналог стандарта Ethernet, на основе которого сегодня построена большая часть офисных компьютерных сетей. Он был зарегистрирован в 1999 году и стал настоящим открытием для менеджеров, торговых агентов, сотрудников складов, основным рабочим инструментом которых является ноутбук или иной мобильный компьютер.
Wi-Fi - сокращение от английского Wireless Fidelity, обозначающее стандарт беспроводной (радио) связи, который объединяет несколько протоколов и имеет официальное наименование IEEE 802.11 (от Institute of Electrical and Electronic Engineers - международной организации, занимающейся разработкой стандартов в области электронных технологий). Самым известным и распространенным на сегодняшний день является протокол IEEE 802.11b (обычно под сокращением Wi-Fi подразумевают именно его), определяющий функционирование беспроводных сетей, в которых для передачи данных используется диапазон частот от 2,4 до 2.4835 Гигагерца и обеспечивается максимальная скорость 11 Мбит/сек. Максимальная дальность передачи сигнала в такой сети составляет 100 метров, однако на открытой местности она может достигать и больших значений (до 300-400 м).
Помимо 802.11b существуют еще беспроводной стандарт 802.11a, использующий частоту 5 ГГц и обеспечивающий максимальную скорость 54 Мбит/с, а также 802.11g, работающий на частоте 2,4 ГГц и тоже обеспечивающий 54 Мбит/с. Однако, из-за меньшей дальности, значительно большей вычислительной сложности алгоритмов и высокого энергопотребления эти технологии пока не получили большого распространения. Кроме того, в данное время ведется разработка стандарта 802.11n, который в обозримом будущем сможет обеспечить скорости до 320 Мбит/c.
Подобно традиционным проводным технологиям, Wi-Fi обеспечивает доступ к серверам, хранящим базы данных или программные приложения, позволяет выйти в Интернет, распечатывать файлы и т. д. Но при этом компьютер, с которого считывается информация, не нужно подключать к компьютерной розетке. Достаточно разместить его в радиусе 300 м от так называемой точки доступа (access point) – Wi-Fi-устройства, выполняющего примерно те же функции, что обычная офисная АТС. В этом случае информация будет передаваться посредством радиоволн в частотном диапазоне 2,4-2,483 ГГц.

ZigBee

История

История 802.15.4 началась почти семь лет назад, когда многие инженеры, знакомясь с новейшими (в то время) стандартами Bluetooth и Wi-Fi, с разочарованием поняли, что они не подходят для создания множества нужных рынку устройств. Оба стандарта были (и остаются) энергетически слишком прожорливы, слишком сложны и быстры по сравнению с тем, какими их надо было сделать по мнению многих разработчиков. Доводы недовольных оказались достаточно весомы, что бы спроектировать новый тип WLAN, позднее получивший номер 802.15.4. Окончательный вариант стандарта был представлен в мае 2003 года, но еще осенью 2002-го по инициативе Philips был образован ZigBee Alliance, для совместимости разных устройств и фиксации широких возможностей стандарта в нужном положении.

Технология

На сегодняшний день ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Протокол ZigBee изначально разрабатывался для объединения в сеть большого количества автономных устройств, например датчиков и выключателей с батарейным питанием. Трансиверы, отвечающие стандарту 802.15.4, могут использоваться как самостоятельные устройства, если разработчику нужно организовать связь точка-точка или звезда. Для организации полноценной сети ZigBee необходимо добавить микроконтроллер, в который должен быть загружен набор управляющих программ, так называемый стек протоколов ZigBee, который обеспечивает возможность самоорганизации и самовосстановления сети. Сеть сама определяет оптимальный маршрут передачи данных. Кроме упрощеной 16-битной адресации, возможна расширенная 64-битная, позволяющая находиться в одной сети 65 тысячам устройств! Это будет полезно при построении единых сетей на больших промышленных предприятиях. Дальность связи между двумя устройствами может достигать 6 000 метров. Важным также является тот факт, что данные в ZigBee-сетях могут передаваться по цепочке устройств, своего рода эстафетой. А это, вместе с развитыми средствами самонастройки, должно сильно упростить развертывание на больших площадях. Стандарт также предполагает 128-битное AES-шифрование данных, что будет иметь большой успех в различных системах безопасности.
Сферы применения этой технологии связи очень широки.

В результате анализа вариантов реализации сети на поверхности воды нами была выбрана технология ZigBee. Она подошла проекту по следущим критериям:
-низкая энергопотребляемость(снижение затрат времени на дополнительную зарядку, автономность)( Потребляемая мощность: от 0.3 мкА до 26.9 мА);
-отсутствие потребности широкого канала(передача происходит короткими командами со скоростью до 250 кбит/с);
-удобоваримая стоимость (от 4,5 у.е.).
Для общения под водой сделана оптическая связь – каждое изделие обладает 11 ИК светодиодами и набором фотодатчиков. С помощью этого «общения» роботы могут уходить от столкновений, менять при необходимости траекторию движения и сигнализировать друг другу о своём состоянии.

Заключение

В результате работы нашей компании был спроектирован и запущен в производство полноценный продукт - робот AquaJelly. Оснащённый полноценной связью и способностью работать автономно, он всецело отвечает требованию учёных для реализации их целей.

Список используемой литературы

1) Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4 – Д.Панфилов, М.Соколов, "Электронные компоненты" №12' 2004
2) Домашняя сеть на Bluetooth – М.Любич, www.mobi.ru 12/2005
3) An Introduction to Bluetooth – D.Blankenbeckler, www.wirelessdevnet.com
4) http://www.wikipedia.ru
5) Wireless Standards - 802.11b 802.11a 802.11g and 802.11n - Bradley Mitchell, www.about.com
6) http://www.ieee802.org/15/
7) AquaJelly brochure - www.festo.com
8) http://www.ecoportal.su

[Гриб-Людоед]

хотелось бы услышать хоть какой-то отзыв, дабы исправить ошибки или отредактировать содержание :nerd:

[VAL]

Гриб-Людоед
:)

Присоединённое изображение