Трафик, передаваемый по сети ZigBee, как правило, разделяют на периодический, прерывистый и повторяющийся (характеризующийся небольшим временным интервалом между посылками информационных сообщений).

Периодический трафик характерен для приложений, в которых необходимо дистанционно получать информацию, например от беспроводных сенсорных датчиков или счетчиков. В таких приложениях получение информации от датчиков или счетчиков осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось ранее, любое оконечное устройство, в качестве которого в данном примере выступает беспроводной датчик, подавляющую часть времени работы должно находится в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым очень низкое энергопотребление. Для передачи информации оконечное устройство в определенные моменты времени выходит из режима «засыпания» и выполняет поиск в радиоэфире специального сигнала (маяка), передаваемого устройством управления сетью (ZigBee-координатором или ZigBee-маршрутизатором), к которой подсоединен беспроводной счетчик. При наличии в радиоэфире специального сигнала (маяка) оконечное устройство осуществляет передачу информации устройству управления сетью и сразу же переходит в режим «засыпания» до следующего сеанса связи.

Прерывистый трафик свойственен, например, для устройств дистанционного управления освещением. Представим ситуацию, когда необходимо при срабатывании датчика движения, установленного у входной двери, передать команду на включение освещения в прихожей. Передача команды в данном случае осуществляется следующим образом. При получении устройством управления сетью сигнала о срабатывании датчика движения оно выдает команду оконечному устройству (беспроводному выключателю) подключиться к беспроводной сети ZigBee. Затем устанавливается соединение с оконечным устройством (беспроводным выключателем) и выполняется передача информационного сообщения, содержащего команду на включение освещения. После приема команды соединение разрывается и выполняется отключение беспроводного выключателя от сети ZigBee. Подключение и отключение оконечного устройства к сети ZigBee только в необходимые для этого моменты позволяет существенно увеличить время пребывания оконечного устройства в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым минимальное энергопотребление. Метод использования специального сигнала (маяка) является гораздо более энергоемким.

В некоторых приложениях, например охранных системах, передача информации о срабатывании датчиков должна осуществляться практически мгновенно и без задержек. Но надо учитывать тот факт, что в определенный момент времени могут «сработать» сразу несколько датчиков, генерируя в сети так называемый повторяющийся трафик. Вероятность данного события невелика, но не учитывать его в охранных системах недопустимо. В беспроводной сети ZigBee для сообщений, передаваемых в беспроводную сеть при срабатывании сразу нескольких охранных датчиков (оконечных устройств), предусмотрена передача данных от каждого датчика в специально выделенном временном слоте. В технологии ZigBee специально выделяемый временной слот называют гарантированным временным слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наличие в технологии ZigBee возможности предоставлять гарантированный временной слот для передачи неотложных сообщений позволяет говорить о реализации в ZigBee метода QoS (качество обслуживания). Выделение гарантированного временного слота для передачи неотложных сообщений осуществляется сетевым координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

Для построения беспроводной сети (например, сеть с топологией «звезда») на основе технологии ZigBee разработчику необходимо приобрести по крайней мере один сетевой координатор и необходимое количество оконечных устройств. При планировании сети следует учитывать, что максимальное количество активных оконечных устройств, подсоединенных к сетевому координатору, не должно превышать 240. Кроме того, необходимо приобрести у производителя ZigBee-чипов программные средства для разработки, конфигурирования сети и создания пользовательских приложений и профилей.

Высокая стоимость отладочного комплекта, в состав которого входит набор программных и аппаратных средств для построения беспроводных сетей ZigBee любой сложности, является одним из сдерживающих факторов массового распространения технологии ZigBee на рынке России.

Приведенный в разделе краткий обзор технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee показывает, что каждая технология имеет свои отличительные качества, заключающиеся в достижении одной и той же цели разными способами (с разными потерями). Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee приведены в таблице.[13]

Таблица 1.3.3.1

Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee

Из данной таблицы видно, что самая быстрая и дальняя передача возможно при использовании технологии Wi-Fi. Технология Wi-Fi используется для передачи почты, видео и других данных через Интернет. Технология ZigBee прекрасно подходит для низкоскоростного обмена информацией небольшого размера между большим количеством узлов, для удаленного мониторинга и управления. Технология BlueTooth нашла наибольшее применение при обмене данными между мобильными устройствами.

1.4 Ethernet

Сетевая технология -- это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети. Эпитет «достаточный» подчеркивает то обстоятельство, что этот набор представляет собой минимальный набор средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть.

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле) специально разрабатывались для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имеется в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить такие известные технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии -- сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., -- и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

На сегодняшний день самым распространенным стандартом локальных сетей является пакетная технология передачи данныхEthernet. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде-- на канальном уровне модели OSI. Ethernet, в основном, описывается стандартамиIEEE группы 802.3. В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара или оптический кабель. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина». С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных -- метод CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды. После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр -- это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя. Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом, компьютер-адресат получает предназначенные ему данные. Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два или более компьютера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства -- концентратора. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простая логика работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов. Другие базовые сетевые технологии - Token Ring, FDDI, -- хотя и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время имеют много общих свойств с Ethernet. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды - случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.

1.5 CAN

Для объединения всех блоков системы управления безопасностью поезда «Витязь» используется CAN-шина. Рассмотрим этот интерфейс более подробно [2].

CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая объединение в локальную сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN состоит из большого количества микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности. Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с.

Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине, выпускаются специализированные микросхемы -- драйверы CAN шины.

Система CAN работает очень надежно. Если возникают какие-либо неисправности, они обязательно фиксируются в соответствующих регистраторах неисправностей и могут быть затем считаны с помощью диагностического прибора.

Рисунок 1.5.1 Система CAN

Сеть объединяет несколько блоков управления. Блоки управления подключаются к ней через трансиверы (приемопередатчики). Таким образом, все отдельные станции сети находятся в одинаковых условиях. То есть все блоки управления равнозначны и ни один из них не имеет приоритета. При этом говорят о так называемой многоабонентской архитектуре. Обмен информацией производится путем передачи последовательных сигналов.

Процесс обмена информацией заключается в обмене отдельными посланиями, кадрами. Эти послания могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления. Каждое из посланий содержит данные о каком-либо физическом параметре системы. При этом величина представляется в двоичной форме, т. е. как последовательность нулей и единиц или бит. Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число 00010101. При передаче сигналов каждое число в двоичном представлении преобразуется в поток последовательных импульсов (бит). Эти импульсы поступают через провод TX (передающий провод) на вход трансивера (усилителя). Трансивер преобразует последовательности импульсов тока в соответствующие сигналы напряжения, которые затем последовательно передаются на провод шины. При приеме сигналов трансивер преобразует импульсы напряжения в последовательности бит и передает их через провод RX (приемный провод) на блок управления. В блоке управления последовательности двоичных сигналов вновь преобразуются в данные посланий. Например, двоичное число 00010101 преобразуется в частоту вращения 1800 об/мин.

Передаваемое послание может быть принято каждым из блоков управления. Этот принцип передачи данных называют широковещательным, так как он подобен принципу работы широковещательной радиостанции, сигналы которой принимаются каждым пользователем радиосети. Этот принцип передачи данных обеспечивает получение в каждый момент времени одинаковой информации всеми блоками управления, подключенными к сети. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.

Рисунок 1.5.2 Принцип обмена сообщениями по CAN

Блок управления принимает сигналы датчиков, обрабатывает их и передает соответствующие управляющие сигналы на исполнительные устройства. Наиболее существенными компонентами блока управления являются микроконтроллер с входными и выходными запоминающими устройствами и запоминающее устройство для хранения программного обеспечения. Получаемые блоком управления сигналы датчиков, например, датчика температуры или датчика частоты вращения коленчатого вала регулярно вызываются и записываются последовательно во входном запоминающем устройстве. В микроконтроллере входные сигналы обрабатываются в соответствии с заложенными в нем программами. Выработанные в результате этой обработки сигналы направляются в ячейки выходного запоминающего устройства, откуда они поступают на соответствующие исполнительные устройства. Для обработки посланий, поступающих с шины CAN и направляемых на нее, каждый блок управления снабжен дополнительным запоминающим устройством, в котором хранятся как поступающие, так и отправляемые послания.

Для обмена данными посредством шины CAN служит модуль системы CAN. Он разделен на две зоны: зону приема и зону передачи. Модуль системы CAN связан с блоком управления через почтовые ящики для входящих и исходящих посланий. Обычно он встроен в чип микроконтроллера блока управления.

Трансивер представляет собою приемопередающее устройство, одновременно выполняющее функции усилителя. Он преобразует последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы напряжения и наоборот. Таким образом, посредством электрических импульсов можно передавать данные по медным проводам. Связь трансивера с модулем системы CAN осуществляется посредством проводов TX (передающий провод) и RX (принимающий провод). Провод RX соединен с шиной CAN через усилитель. Он позволяет постоянно "прослушивать" цифровые сигналы, передаваемые через шину.

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит арбитраж доступа: передавая адрес источника, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается доминантный-- считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом и передача откладывается до освобождения шины. Таким образом, в отличие, например, от Ethernet в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения-- вероятность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

Все подключенные к шине станции получают послание, отправленное блоком управления. Это послание поступает в зоны приема соответствующих модулей системы CAN через провода RX. После этого они могут определить на контрольном уровне по сумме CRC (Cycling Redundancy Check), нет ли в послании ошибок передачи.

Преимущества

· Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.

· Простота реализации и минимальные затраты на использование.

· Высокая устойчивость к помехам.

· Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.

· Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.

· Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

· Упрощается подключение дополнительного оборудования.

Недостатки

· Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).

· Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).

· Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться.

1.6 USB-интерфейс

В четвертой главе данного дипломного проекта будет производиться написание ППП для стенда тестирования РПДП. На этом стенде будет осуществляться подключение к CAN по USB, поэтому было решено изучить USB-интерфейс.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры РС-компьютера.

Архитектура USB определяется следующими критериями:

* легко реализуемое расширение периферии РС-компьютера;

* скорость передачи до 12 Мбит/с (версия 1.1), до 480 Мбит/с (версия 2.0), до 4,8 Гбит/с (версия 3.0);

*возможность интеграции в РС-компьютерах любых размеров и конфигураций;

* легкое создание устройств-расширений РС-компьютеров.

С точки зрения пользователя важными параметрами USB являются следующие:

* простота подключения к РС-компьютеру, т.е. невозможно неправильно подключить устройство;

* не требуется выключать питание перед подключением из-за особенностей конструкции разъемов;

* скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;

* самоидентифицирующиеся периферийные устройства (Plug & Play);

* возможность динамического подключения периферийных устройств;

* малопотребляющие устройства (до 500 ма) могут получать питание прямо от USB-шины.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб (обеспечивает дополнительные точки подключения). Каждый кабельный сегмент соединяет две точки - хаб с другим хабом или функцией (представляет собой конечное периферийное устройство). В системе имеется, причем только один, хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды функций и хабов и управляющий работой всей системой. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения - портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый корневой хаб.

Логически устройство, подключенное к любому порту хаба USB может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру. Таким образом, точка подключения устройства не важна.

Хост-контроллер производит распределение пропускной способности шины между устройствами. USB-шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные периферийные устройства, подключенные к порту хаба USB кабелем. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности устройства и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом - ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

Хаб представляет собой кабельный концентратор. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов.У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хабу верхнего уровня и один или несколько нисходящих портов (Downstream Port), предназначенных для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб распознает подключение и отключение устройств и управляет подачей питания на нисходящие сегменты.

Для избавления программиста от рутинной работы по написанию драйвера, в некоторые операционные системы заведомо входят низкоуровневые драйвера. В систему Windows входят:

· драйвер хост-контроллера (USB Bus Driver) отвечает за управление транзакциями, питанием и распознаванием устройств;

· драйвер шины (USB Bus Driver) отвечает за управление транзакциями, питанием и распознаванием устройств;

· драйвер класса (Class driver).

С точки зрения программиста наибольший интерес представляют драйвер классаи интерфейс обращения к этому драйверу. Здесь операционная система делает шаг на пути к унификации интерфейсов. Все USB-устройства делятся на группы (хабы, HID-устройства, аудио, устройства хранения данных, принтеры, устройства коммуникации), согласно общим свойствам, выполняемым функциям и требованиям к ресурсам. Для каждой группы устройств Windows предоставляет отдельный драйвер, который автоматически устанавливается при обнаружении принадлежности устройства к одной из групп. Таким образом, в большинстве случаев никаких драйверов не требуется[9].

USB HID (human interface device) class-- класс устройствUSBдля взаимодействия с человеком. Этот класс включает в себя такие устройства какклавиатура,мышь, игровой контроллер. Это один из первых USB классов, поддерживаемых операционной системой Windows. HID устройство кроме ввода данных в компьютер может и получать их от него. При необходимости отправки данных на HID устройство необходимо инициировать соединение с этим устройством и далее работать с ним как с обычным файлом [13].

1.7 Вывод

В данной главе был произведен обзор основных технологий передачи данных. Для осуществления процесса обмена информацией между компьютером и поездом было решено изучить существующие технологии беспроводной передачи данных с целью последующего выбора наиболее подходящей (2 глава). Помимо беспроводных технологий физического уровня, были рассмотрены технологии канального уровня (Ethernet, Frame Relay, ATM).

В данном разделе были также рассмотрены основные технологии идентификации объектов. Среди них особое внимание было уделено радиочастотной и оптической идентификации, которые можно использовать для инициирования соединения стационарного пункта управления с регистратором параметров движения поезда (РПДР).



ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

В настоящее время существует большое количество масштабируемых систем автоматического управления движением поездов. Они различаются по принципам и техническим решениям, используемым при их разработке, а также по степени автоматизации - от автоматизированного движения поезда с информационной поддержкой машиниста (режим подсказки) до полностью автоматического управления движением с максимальной эксплуатационной гибкостью.

2.1 Система управления движением поезда «Витязь»

В Московском метрополитене используетсясистема управления, безопасностиитехнической диагностики «Витязь», построенная как многопроцессорная локальная вычислительная сеть. Система «Витязь» предназначенадляустановки на вагонах метро моделей 81-740/741, 81-760/761 и их модификаций.

Система «Витязь»выполняет следующие основные функции:

· обеспечениеуправления поездом и вагонным оборудованием в режиме ручного управления;

· автоматическое ограничение скорости поезда по сигналам с рельсовой линии (автоматическое регулирование скорости - АРС);

· сигнализацию о допустимой,предупредительной и текущей скоростях (автоматическая локомотивная сигнализация - АЛС);

· обеспечениетехнической диагностикии сигнализации о неисправностях вагонного оборудования и самой системы;

· обеспечение управления климатическими установками салонов вагона,переключение режимов работы кондиционеров (зима/лето);

· обеспечение обмена информации между блоками системы «Витязь»;

· ввод информации с устройства первоначального ввода ивывод информации на устройство отображения информации;

· выдачу рекомендаций машинисту по оптимальному управлению электропоездом.

Система «Витязь» состоит из следующих основных блоков:

1. Блок управления поездом

Блок управления поездом (БУП) - центральный микропроцессорный блок, устанавливается в головных вагонах поезда, является специализированным блоком логической обработки информации,выполняет функции диспетчеризации и обеспечивает:

· ведение поезда в ручном режиме (под управлением машиниста);

· централизованное управление вспомогательными устройствами и оборудованием вагонов;

· диагностирование аппаратов и устройств оборудования вагонов;

· прием управляющих сигналов от пультов управления и контроллера машиниста и вывод сигнализации о состоянии основного вагонного оборудования;

· обмен информацией по поездной магистрали (основной и резервной) с блоком управления вагоном и хвостовым (головным) блоком управления поездом, а также обмен информацией сблоком автоматической регулировки скорости;

· решение задач оперативного изменения конфигурации системы управления «Витязь» при наличии сигналов о неисправностях блоков, входящих в систему;

2. Блок управления вагоном

Блок управления вагоном (БУВ) размещается в каждом вагоне поезда и является специализированным микропроцессорным вычислительным блоком логической обработки информации и предназначен для управления и технической диагностики оборудования отдельного вагона состава.

Блок БУВ выполняет следующие основные функции:

· обмен информации с БУП;

· опрос датчиков вагонного оборудования и техническую диагностику вагонного оборудования;

· выработку управляющих воздействий для блока управления тяговым приводом (БУТП) и тормозной системы с учетом информации датчиков вагонного оборудования;

· управление вагонным оборудованием (освещение салона, открытие и закрытие дверей и т.д.).

3. Блок РПДП

Блок РПДП предназначен для регистрации параметров движения поезда, сохранения зарегистрированных данных в рабочих и аварийных ситуациях. Принимаемые РПДП данные регистрируются в энергонезависимой памяти накопителя. После первого заполнения всего объема памяти, принимаемые данные вытесняют из накопителя наиболее ранние и записываются на их место. Временной объем накопителя составляет не менее 72 часов. Продолжительность хранения зарегистрированной информации составляет не менее 1000 часов, при условии, что эта информация не вытесняется вновь поступившей, независимо от наличия питания регистратора.

4. Система определения местоположения (СОМ)

СОМ предназначена для определения местоположения состава на линии. К блоку данной системы подключается RFID-считыватель информации, собирающий информацию о местоположении состава от расположенных на рельсах меток.

Рисунок 2.1.1 Функциональная схема системы «Витязь»

Список сокращений к функциональной схеме системы «Витязь»

БКПУ (БУП) - бортовой компьютер поездного управления

БКВУ (БУВ) - бортовой компьютер вагонного управления

ГУМ - головная управляющая магистраль

ПУМ - поездная управляющая магистраль

ВУМ - вагонная управляющая магистраль

ПДМ - поездная диагностическая магистраль

РПДП - регистратор параметров движения поезда

УПИ1,2 - устройство приема информации 1,2

ОПУ - основной пульт управления

КМ - контроллер машиниста

Л.Инд. - лампы индикации

БКЦУ - блок коммутации цепей управления

ВПУ - вспомогательный пульт управления

ВО - вагонное оборудование

БМЦИС - блок микропроцессорной цифровой индикации системы

МДС - многоканальный дисплей скорости

ИСГ - измеритель скорости головной

МФДУ - многофункциональный дисплей управления

БТБ - блок тормоза безопасности

СОМ - система определения местоположения

ДЦ - диспетчерский центр

АДУТ - адаптер управления торможением

АДУВ - адаптер управления вагонным оборудованием

АДУД - адаптер управления дверями

ПСН - преобразователь собственных нужд

БУТП - блок управления тяговым приводом

Соединение основных блоков системы, а также вспомогательного оборудования происходит посредством интерфейса CAN.

Для обеспечения регистрации параметров в РПДП система «Витязь» задействует все блоки,входящие в ее состав, а также датчики вагонного оборудования. Данные с результатами технической диагностики записываются в РПДП, и по прибытии поезда в электродепо переносятсяна стационарный пункт расшифровки РПДП(для переноса информации сегодня используются переносные накопители информации)[1].

2.2 Принцип автоматизированной системы передачи и используемое оборудование

Для обеспечения автоматизации процесса передачи информации от поездного блока РПДП на стационарный сервер архивирования информации решено использовать выделенныйWi-Fi радиоканал, так как его характеристики в наибольшей степени удовлетворяют требованиям системы передачи. Как видно из таблицы 1.3.3.1, технология беспроводной передачи данных может обеспечивать наибольшую скорость передачи (что существенно, так как регистрации имеют большой объем) и наибольшую дальность действия.

Принцип действия данной системы следующий.

1. В состав стационарного стенда расшифровки РПДП вводится приёмопередатчик Wi-Fi (стационарный приёмопередатчик Wi-Fi).

2. В районе входного светофора на деповские пути с линии метрополитена, на мачте, устанавливается стационарная антенна Wi-Fi и подключается к стационарному приёмопередатчику Wi-Fi (формируется стационарная точка доступа Wi-Fi).

3. На путях (между рельсами) за входным светофором устанавливается стационарная RFID метка.

4. В систему «Витязь» вводится поездная антенна Wi-Fi, приёмопередатчик Wi-Fi, поездная RFID антенна и поездной RFID считыватель информации.

5. Приёмопередатчик Wi-Fi подключается к поездному блоку РПДП, поездной RFID считыватель к блоку БУП системы «Витязь».

6. Стационарная точка доступа Wi-Fi периодически формируют и отправляют запросы в адрес поездного устройства Wi-Fi на приём информации от РПДП.

7. При въезде состава на территорию депо поездной RFID считыватель информации принимает данные от стационарной RFID метки и передаёт её в блок БУП системы «Витязь».

8. Система «Витязь» формирует команду на включение режима передачи данных по Wi-Fi соединению.

9. Блок РПДП, получив запрос от стационарной точки доступа Wi-Fi , начинает отвечать (режим работы прием - ответ).

10. Считывание осуществляется пакетом прикладных программ (ППП) «Регистратор РПДП».



Рисунок 2.2.1 Принцип действия автоматизированной системы передачи

Инициатором включения режима передачи данных по Wi-Fi является считывание информации от стационарной RFID метки. RFID технологии было решено использовать после анализа существующих технологий идентификации. Помимо RFID-технологий серьезно рассматривалась возможность использования технологий оптической идентификации. Было предложено установить камеру на поезде и направить ее вдоль железнодорожного полотна. Объектами видеоанализа являлись бы специальные метки, устанавливаемые на рельсах при въездах в депо, попадающие в поле зрения камеры произвольным образом. Оборудование должно было обеспечить автоматическое распознавание этих меток и включение режима считывания по Wi-Fi. В качестве оптического оборудования рассматривалась возможность адаптирования применения камер в комплекте с видеосервером AGRG MagicBox, представляющим собой компактное устройство, обеспечивающее интеллектуальную обработку видео в системах охранного телевидения, для использования в метро. Устройство позволяет строить гибридные решения на базе аналоговых камер и цифровых систем видеонаблюдения с применением встроенной видеоаналитики на протяженных объектах.

После консультаций с разработчиками видеосервера AGRG MagicBox (компанией «Синезис»), было решено отказаться от идеи использования оптического оборудования по следующим причинам:

· радиочастотный способ идентификации обладает высокой степенью защиты. Такую метку очень сложно сымитировать, так как каждая имеет свой уникальный идентификатор. В то время как попадание на пути любого похожего на метку объекта может инициировать оптическую идентификацию;

· Более высокая стоимость установки и эксплуатации (в сравнении с RFID-технологиями);

· необходимость частого очищения камер, расположенных на вагонах, в связи со специфическими условиями использования.

На рельсы в депо устанавливаются метки идентификации средней дальности (от 20см до 10 м). Выбраны пассивные RFID-метки диапазона UHF, так как они не требуют встроенного источника энергии. Метки данного диапазона обладают наибольшей дальностью регистрации, во многих стандартах данного диапазона присутствуют антиколлизионные механизмы.

С целью определения возможных альтернативных RFID меток, была проведена аналитическая работа, показавшая два возможных варианта выбора:

· Готовый продукт, в виде RFID метки во влагозащитном радиопрозрачном корпусе;

· Микросхемы RFID для самостоятельного изготовления меток в НИИП.

Требования к оборудованию в метро:

· Рабочий диапазон температуры от -40 до +65°C.

· Влажность до 100% при 25°C.

Учитывая требования к оборудованию в метро, описанные в документах по классу ММ1 и классу К6 ОСТ 32.146-2000 «Аппаратура железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. Общие технические условия» был выбран готовый продукт, RFID метка ТA900-3GPSI-2 компании ООО «НТЦ «Альфа-1».

Рисунок 2.2.2 RFID Метка ТA900-3GPSI-2

Описание производителя:

Радиометка TA900-3GPSI-2BM является пассивной электронной меткой RFID UHF диапазона различного назначения, встроенной в специальный металлический корпус. Основное назначение - транспортные логистические системы и промышленная автоматика. Радиометка TA900-3GPSI-2 поддерживает международные радио интерфейсы ISO 18000-6B или 18000-6С и имеет возможность бесконтактной перезаписи не менее 100 тысяч раз пользовательской информации объемом до 216 байт.

Таблица 2.2.1

Технические характеристики метки TA900-3GPSI-2BM

Параметр	Значение	Примечание
Рабочий диапазон частот	862 -870 МГц	Соответствует Европейским стандартам
Радио интерфейс	ISO 18000-6В ISO 18000-6С	ЕРС G2C1
Максимальная дальность считывания	До 12 метров	В зависимости от параметров считывателя и ориентации метки
Дальность записи	70% от дальности считывания
Условия эксплуатации: ТемператураВлажность	От-40 до + 85 °С До 100%	Всепогодное исполнение
Температура хранения	От-40 до + 60 °С	Без конденсата
Габариты	192 х 38 х 20 мм
Вес	Не более 70 г

В данных метках используются микросхемы SL3ICS3001 компании NXP. В 2008 году компания NXP выпустила новые чипы, которые на сегодняшний день отвечают всем основнымтребованиям по функционалу и безопасности. Чипы выполнены в стандарте EPC Gen 2.0, но отличаются от всех своих предшественников тем, что поле памяти TID (Tag ID), в которое при производстве обычно пишется код типа метки разбито на две части. Первые 32 бита отведены под код производителя метки и её марку, а вторые 32 бита-- под уникальный номер самого чипа. Поле TID-- неизменяемое, и, таким образом, каждая метка является уникальной.

Таблица 2.2.2

Технические характеристики микросхемы NXP SL3ICS3001

Параметр	Значение
Международный стандарт	ISO18000-4, ISO18000-6, EPC Generation 2 Class1
Фирменный стандарт	UCODE
Описание производителя	UCODE HSL IC (UCODE высокочастотная программируемая метка) представляет из себя специализированный чип для пассивных меток, которые могли бы быть считанными на расстояние в несколько метров. Технология UCODE HSL разработана в соответствии с европейскими нормами и требованиями.
Заявленная дальность считывания	8 метров
Доступная для записи память	216 байт
Корпус	TSSOP8



В головных вагонах поезда метро устанавливаются стационарные считыватели RMA900-5M, которые изготавливаются специально для НИИП компанией ООО «НТЦ «Альфа-1» (для того чтобы их можно было соединить с СОМ (системой определения местоположения) системы «Витязь» через интерфейс RS-232). Прибор представляет собой печатную плату, на одном конце которой расположен низкочастотный разъем, а на противоположном конце - СВЧ разъем для подключения антенны.

Прибор включается в режим работы, установленный по умолчанию:

· мощность выходного сигнала минимальная;

· непрерывное чтение метки;

· при обнаружении метки передается UID (уникальный идентификатор) метки по каналу RS-232.

беспроводной передача ппрограммирование информация

Рисунок 2.2.3 Схема подключения считывателя RMA900-5M

Общение с модулем ридера осуществляется в режиме интерпретатора команд, переданных через стык RS-232.

Для изменения режима работы прибора используются следующие основные команды, поступающие по каналу RS-232:

· AUTO Режим автоматического считывания UID метки.

· M_AUTO Режим автоматического считывания UID метки и 8 байт данных с начального адреса 20h.

· LOCK Запрет перепрограммирования байта во внутренней памяти метки.

Получив команду от ведущего контроллера (например, от PC) модуль ридера выполняет соответствующие действия и формирует ответ. При отсутствии ответа на корректную команду более 500 мс команду необходимо передать повторно. Некорректные команды игнорируются.

Формат команд:

01h':NNNNNNNNCOPP0P1P2 [ P3.. P4] COMM CRC;'

01h - сетевой адрес модуля ридера - любой байт от 00hдо 0Fh (в случае единственного устройства в сети этот адрес должен иметь значение 01h), расценивается модулем ридера как требование очистить входной буфер и приготовиться к приему очередной строки

`:' - маркер начала командной строки

`NNNNNNNN' - очередной номер команды- может принимать значения00000000, 00000001, ….99999999. Этот номер будет присутствовать в ответе, сформированном модулем ридера

`COP' - команда

`P0P1P2 [ P3.. P4]' - параметры команды

`COMM' - комментарий - игнорируется интерпретатором

`CRC' - контрольная сумма - получается суммированием байтовых значений выделенных символов строки

`;' - маркер конца командной строки - получив этот символ, интерпретатор приступает к выполнению команды

TxD: - строка, передаваемая модулю ридера

RxD: - ответ модуля ридера.

Пример команды - M_AUTO:

Режим автоматического считывания UID метки и 8 байт данных, записанных в метку с начального адреса 20h.

M_AUTO TIME_MS

TIME_MS - период считывания метки, мс.

Может иметь значение в интервале 10<TIME_MS <10000 мс.

Включение режима:

TxD: :00000003 M_AUTO 1001081;

RxD: :00000003 M_AUTO_ОN ;

Пример ответа при успешном автоматическом чтении UID метки (8 байт) и данных (8 байт):

RxD: :00000000 REC_ID-16E21FFFC0113002 DAT-4E544320416C7068 ;

RxD: :00000001 REC_ID-16E21FFFC0113002 DAT-4E544320416C7068 ;

При отсутствии метки в зоне считывания - ответа нет.

Ридер соединяется с СОМ (системой определения местоположения) системы «Витязь» через интерфейс RS-232. Система определения местоположения по CAN подключаются к блоку управления поездом системы «Витязь», центральному микропроцессорному блоку, отвечающему за логическую обработку информации по CAN.

Когда антенна считывает метку (по команде M_AUTO), информация с метки поступает в СОМ, где сравнивается с информацией из базы данных СОМ, после чего СОМ отправляет сигнал в БУП. БУП анализирует сигнал и выносит решение для дальнейших действий, в нашем случае решение о включении передачи по Wi-Fi.

Приёмопередатчик Wi-Fi напрямую подключается к поездному блоку РПДП. Стационарная точка доступа Wi-Fi периодически формирует и отправляет запросы в адрес поездного устройства Wi-Fi на приём информации от РПДП. После установления Wi-Fi-соединения стационарная ПЭВМ отправляет на РПДП команду на считывание данных. Адаптер беспроводной связи блока РПДП превращает данные в радиосигнал и передает их в эфир с применением антенны. Беспроводная точка доступа принимает и декодирует этот сигнал. Информация направляется в ПЭВМ по кабелю проводной сети Ethernet.

Оборудование системы работает в режиме моста. Режим беспроводного моста используется в том случае если необходимо соединить две проводные локальные сети, удаленные друг от друга на небольшое расстояние (20-250 м), но нет возможности проложить кабели. Так как передавать информацию с поезда необходимо в тоннеле на въезде в депо, этот режим является наиболее удобным.

Точки доступа используется только для транзита трафика из одной локальной проводной сети (поезд) в другую (стенд).

Рисунок 2.2.4 Режим беспроводного моста

В качестве Wi-Fi адаптера решено использовать адаптер Complex iWAVEPORT WLM54AG.

Рисунок 2.2.5 Адаптер Complex iWAVEPORT WLM54AG

Таблица 2.2.3

Основные характеристики адаптера Complex iWAVEPORT WLM54AG

Основные характеристики
Тип	сетевой адаптер
Тип сети	Wi-Fi (беспроводная сеть)
Диапазон частот	2.4/5 ГГц
Сетевые стандарты	IEEE802.11a/b/g
Скорость передачи данных	54 Мбит/сек.
Максимальная скорость(WAN)	108 Мбит/сек

Помимо адаптера используется универсальный Wi-Fi шлюз для промышленной телеметрии WLg-LINK-OEM

Модуль WLg-LINK-OEM, представляет собой законченное многопрофильное устройство стандарта «IEEE 802.11 a/b/g/h & super AG», предназначенное для использования в качестве Wi-Fi точки доступа, Wi-Fi - Ethernet моста, а также повторителя (WDS).
При работе в качестве точки доступа, модуль WLg-LINK-OEM используется, как базовый элемент промышленной сети WiFi - Ethernet. При использовании в качестве моста, модуль WLg-LINK-OEM может быть подключен к любому внешнему промышленному устройству с интерфейсом Ethernet 10/100.

2.3 ТЗ на разработку ППП передачи информации

Автоматизация процесса передачи информации позволит оперативно определять неисправности системы «Витязь» и вагонного оборудования, анализировать параметры движения поезда, а также действия машиниста.

Разрабатываемый пакет прикладных программ предназначен для:

· считывания, хранения и отображения данных регистрации от РПДП стационарными устройствами стенда расшифровки РПДПдля всего парка вагонов электродепо;

· анализа работы вагонного оборудования системы «Витязь»;

· отображения параметров регистрации в виде графиков.

Технические требования на ППП

1. Считывание данныхиз памяти блока РПДП должно осуществляться средствами беспроводного соединения (WI-FI).

2. Считанные данные от блока РПДПдолжны храниться на жестком диске сервера стенда расшифровки под соответствующими именами (далее - регистрации) в удобной для восприятия пользователем ПЭВМ форме.

3. ППП должен обеспечивать возможность отображения интересующей информации на мониторе ПЭВМ.

4. ППП должен обеспечивать визуальное отображение информации регистраций в виде графиков на экране ПЭВМ.

5. При работе с графиками, ППП должен изменять масштаб графика (сжатие/растяжение).

6. Для анализа регистраций, ППП должен обеспечить возможность покадрового вывода регистраций на экран.

2.4 Выбор концепции программирования

Парадигма программирования -- это система идей и понятий, определяющих стиль написания компьютерных программ. Это способ концептуализации, определяющий организацию вычислений и структурирование работы, выполняемой компьютером. Важно отметить, что парадигма программирования не определяется однозначно языком программирования; практически все современные языки программирования в той или иной мере допускают использование различных парадигм (мультипарадигмальное программирование). Язык не поддерживает технику программирования, если для написания соответствующей программы требуются чрезмерные усилия либо мастерство. Поддержка парадигмы проявляется не только в наличии средств языка, позволяющих непосредственно использовать парадигму, но и в виде проверок в момент компиляции на неумышленное отклонение от парадигмы [3].

Процедурное программирование

Акцент процедурного программирования делается на обработке - алгоритме, необходимом для выполнения требуемых вычислений. Языки поддерживают эту парадигму, предоставляя средства для передачи аргументов функциям и возврата значений из функций. Литература, имеющая отношение к такому образу мыслей, содержит обсуждения способов передачи аргументов, различий между разными видами аргументов, описаниями разновидности функций.

С точки зрения организации программы, функции используются для наведения порядка в хаосе алгоритмов. Алгоритмы сами по себе записываются с использованием вызовов функций и других средств языка.

Исходная парадигма процедурного программирования: «Реши, какие требуются процедуры; используй наилучшие доступные алгоритмы».

Основные средства языка, предоставляемые для организации вычислений:

· Переменные и арифметические операции

· Условия и циклы

· Указатели и массивы

Модульное программирование

С течением времени акцент при разработке программ сместился от проектирования процедур в сторону организации данных. Помимо прочего, это явилось отражением факта увеличения размеров программ. Набор связанных процедур вместе называется модулем. Парадигмой программирования становится: «Реши, какие требуются модули; разбей программу так, чтобы скрыть данные в модулях».

Эта парадигма также известна как «принцип сокрытия данных». Там, где не требуется группировка процедур вместе с данными, достаточно процедурного стиля программирования. Техника проектирования «хороших процедур» теперь применяется для каждой процедуры в модуле.

Если язык поддерживает соглашения о раздельной компиляции, то программу можно организовывать в виде почти независимых частей. Это производится помещением объявления, которые описывают интерфейс модуля, а файл с характерным именем, отражающим его использование. Использование раздельной компиляции не является элементом языка, а относится к вопросам конкретной его реализации. Однако это вопрос большого практического значения. Наилучшим подходом является максимальное использование модульности, выражение этой модульности средствами языка и затем ее физическое представление в файлах для эффективной раздельной компиляции.

Абстракция данных

Модульность - фундаментальный аспект всех успешно работающих крупных систем. Однако модули не достаточны для описания сложных систем. Модульное программирование приводит к централизации управления данными определенного типа в отдельном модуле. Абстракция данных подразумевает использование модулей для предоставления некой формы типов данных, определяемых пользователем. Некоторые языки позволяют пользователю непосредственно определять типы, которые ведут себя почти также, как и встроенные. Такой тип очень часто называют абстрактным типом данных или же пользовательским типом или классом. Везде, где нужно более одного объекта определенного типа, не достаточно программирования с сокрытием данных при помощи модулей.

Парадигма программирования становится: «Реши, какие требуются типы; обеспечь полный набор операций для каждого типа».

Объектно-ориентированное программирование

Абстракция данных является фундаментальным аспектом качественного проектирования. Однако типы, определяемые пользователем, сами по себе не достаточно гибки. Такие типы, определенные с помощью модулей, описывают нечто «вроде черного ящика». После того, как черный ящик определен, он практически не взаимодействует с остальной частью программы. Нет иного способа приспособить его к нуждам других пользователей, кроме как изменить его определение. Проблема в том, что очень сложно показать разницу между общими свойствами всех объектов такого класса и особыми свойствами. Выражение этой разницы и использование вытекающих отсюда преимуществ составляет основу объектно-ориентированного программирования (ООП). Механизма наследования позволяет решить проблемы с выделением общих свойств объектов в отдельный класс. Желательность иерархии классов (а значит, наследования) вытекает из требований к повторному использованию кода-- если несколько классов имеют сходное поведение, нет смысла дублировать их описание, лучше выделить общую часть в общий родительский класс, а в описании самих этих классов оставить только различающиеся элементы.

В тех случаях, когда общности нет, достаточно абстракции данных.

Степень общности между типами, которую можно выделить, использовав наследование и виртуальные функции, является лакмусовой бумажкой для определения, применим ли объектно-ориентированный подход к решению задачи. Степень общности, которую можно выделить, зависит от способа организации системы. Когда система проектируется, и даже когда только пишутся технические требования, нужно активно искать общность. Классы можно спроектировать так, чтобы использовать их как строительные блоки для новых типов. Следует также проверить, не проявляют ли существующие классы сходства, которые можно выделить в базовый класс.

Парадигма программирования звучит так: «Реши, какие требуются классы; обеспечь полный набор операций для каждого класса; явно вырази общность через наследование».

Обобщенное программирование

Если алгоритм можно выразить независимо от деталей представления и если это можно сделать приемлемым (с точки зрения накладных расходов) способом и без логических искажений, то так и нужно поступать. Парадигма программирования для этого стиля звучит так: «Реши, какие требуются алгоритмы; параметризируй их так, чтобы они могли работать со множеством подходящих типов и структур данных». Представителями обобщенного программирования являются шаблоны (template), где конкретные типы заменяются на параметры шаблона.

...