Метод застосування пристроїв безпровідних сенсорних мереж та датчиків руху у військових цілях

Размещено на http://allbest.ru

8

^{1Київський національний університет ім. Т. Шевченка}

²Міжрегіональна академія управління персоналом

³Національний авіаційний університет

Метод застосування пристроїв безпровідних сенсорних мереж та датчиків руху у військових цілях

¹Дуднік Андрій Сергійович кандидат технічних наук, доцент

²Чолишкіна Ольга Геннадіївна кандидат технічних наук

³Бондаренко Юрій Вікторович аспірант

Summary

Method of devices wireless sensor networks and motion sensors for military purposes

А. Dudnik candidate of technical sciences, associate professor Associate Professor of the Department of Network and Internet Technologies. Kyiv National Taras Shevchenko University. O.Cholishkina Candidate of Technical Sciences Dean of the Faculty of Computer Information Technologies Interregional Academy of Personnel Management. Yu. Bondarenko, post-graduate student of the department of computer multimedia technologies. National Aviation University

At present, wireless sensor networks are an important tool for researching the physical world. Their importance is connected with new possibilities of use, due to such characteristics of the BSM, as the lack of the need for cable infrastructure, miniature nodes, low power consumption, built-in radio interface, high enough computing power, relatively low cost. All this made possible their widespread use in many spheres of human activity in order to automate the processes of information gathering, monitoring, control of the characteristics of various technical and natural objects. Military collisions often represent areas of uncertain reception or insufficient immunity. This is affected by physical impediments (surface relief and military equipment), and radio frequency (means of electronic warfare of the opponent, etc.). The purpose of this article is an attempt to apply the method of improving the security and quality of wireless data transmission in uncertain reception areas or with insufficient noise immunity in the territories military clash, based on its detail. The object of this study is the components of the wireless sensor network, which can be deployed on the collision line. The problem area of this network is the sensor module, which depends on the limitation of the power supply of the battery, which in turn affects the impedance of its data transmission, due to limit the power of its signal.

Анотація

На даний момент безпроводові сенсорні мережі є важливим інструментом дослідження фізичного світу. Їх важливість пов'язана з новими можливостями використання, що обумовлені такими характеристиками БСМ, як відсутність необхідності у кабельній інфраструктурі, мініатюрність вузлів, низьке споживання електроенергії, вбудований радіоінтерфейс, досить висока обчислювальна здатність, порівняно невелика вартість. Все це зробило можливим їх широке застосування у багатьох сферах людської діяльності з метою автоматизації процесів збору інформації, моніторингу, контролю характеристик різноманітних технічних та природніх об'єктів.

Вступ

Постановка проблеми. Зони військового зіткнення часто являються територіями невпевненого прийому, або з недостатньою завадостійкістю. На це впливають фізичні завади (рельєф поверхні та військова техніка), та радіочастотні (засоби радіоелектронної боротьби противника та інші).

Аналіз останніх досліджень. Визначення локалізації системи серед вузлів є однією з необхідних передумов, для того, щоб зробити функціональну БСМ. Проблема локалізації полягає у визначенні фізичного місця розташування (наприклад, широта, довгота і висота) об'єкта, який визначається. Таке завдання є дуже важливим і актуальним, що стосуються таких областей, як робототехніка, однорангових мереж, безпровідних сенсорних мереж, стільникового зв'язку, військової, авіаційної та астрономії. Питанням дослідження інформаційно-вимірювальних систем, в тому числі і дослідженням технологій моделювання, управління і взаємодії комп'ютеризованих систем вимірювання механічних величин, присвячено роботи сучасних вчених Кваснікова В. П. [1, 2], Орнадського Д. П. [2, 3], Осмоловського А.І. [3], а також роботи Akyildiz I.F. [4], Boukerche A. [5, 6], Brooks R.R. [7], HofmannWellenho B. [8], Intanagonwiwat C. [9], Niculescu D. [10], Priyantha N. [11], Savvides A. [12], Yu Y. [13] та ін.

У роботі [1], пропонується використовувати Інтернет для управління вимірювальною головкою, але в аналізі та корегуванні результатів вимірювання, Інтернет участі не бере. В роботі [3], йдеться про корекцію похибок вимірювання через інформаційно-вимірювальну систему, але пропонується використовувати кабельний зв'язок.

В даній статті пропонується розглянути сенсорні мережі, як різновид комп'ютеризованих систем вимірювання механічних величин, на прикладі виявлення рухомих об'єктів у зонах військового зіткнення. Пропонується описати математичну постановку даної задачі, а також сформулювати основні визначення елементів системи.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Модель працює наступним чином. По команді головного пристрою, підлеглий передає дані про свою відстань від сусідніх пристроїв, через безпровідний канал, на який впливають різного роду спектру завдань. Зокрема одним з основних застосувань сенсорних мереж є створення різних систем моніторингу і контролю, зокрема і у військовій сфері. Слід чекати, що в недалекому майбутньому сенсорні мережі займуть значно ширшу нішу серед наявних телекомунікаційних технологій, які використовують безпровідний радіозв'язок.

Метою даної статті являється спроба практичного застосування методу покращення безпеки та якості бездротового передавання даних в зонах невпевненого прийому або з недостатньою завадостійкістю, на територіях військового зіткнення, представленого в роботах [14, 15], на основі його деталізації.

Виклад основного матеріалу

Об'єктом даного дослідження є складові частини безпровідної сенсорної мережі, що може бути розгорнута на лінії зіткнення. Проблемним місцем цієї мережі є сенсорний модуль, що залежить від обмеження енергетичного запасу елемента живлення, що в свою чергу впливає на завадостійкість його передачі даних, через обмеження потужності його сигналу.

На рис. 1 зображена спрощена модель транспортної системи передачі даних сенсорних мереж між 2 окремо взятими пристроями мережі.

Рис. 1. Концептуальна модель фрагменту транспортної системи безпровідної сенсорної мережі: S - підлеглий одноканальний пристрій (slave); M- головний багатоканальний магістральний пристрій (master)

Дана схема є досить спрощеною, адже між основним та підлеглим пристроєм може бути ще кілька головних, або підлеглих, як показано на рис. 2.

Рис. 2. Варіант топології сенсорних мереж: головні пристрої зафарбовані

Рис.3. Структурна схема пристрою передавання даних в безпроводових мережах з системою підвищення якості роботи в зонах невпевненого прийому

На території з невпевненим прийомом, часто виникають помилки при передачі даних та сигналів, після чого отримувачем здійснюється запит на повторну передачу та повторна передача відправником. Імовірність того, що повторна передача буде мати такий же результат, теж досить велика. Що спричиняє велику надлишковість сигналів. У зонах військового зіткнення надлишковість сигналів у радіоефірі носить негативний характер з двох причин:

• при збільшенні кількості сигналів, зростає імовірність їх перехоплення стороною противника;

• дані сигнали створюють перешкоди для інших сеансів зв'язку між своїми підрозділами.

Пропонується для практичної реалізації ідеї переформатування складу функцій міжрівневої взаємодії мережевого і фізичного рівнів ввести в структурну схему, що має модель взаємодії при передачі: фізичний - канальний - мережевий, та при прийомі: фізичний - канальний - мережевий, пристрою безпроводового передавання даних елемент зв'язку (зворотного зв'язку) між додатками фізичного та мережевого рівнів Еталонної моделі OSI\ISO.

Саме з цієї причини в існуючу структурну схему пристрою безпроводового зв'язку вводиться аналізатор якості сигналу 5 на рис. 1 [16]. Що повинно виправити недоліки класичної схеми. При побудові пристрою, блоки розбито на модулі, згідно їхньої належності до того чи іншого рівня еталонної моделі. Пристрій в цілому має модульну структуру, містить керуючий блок 1, що є частиною NMS, модуль мережевого рівня 2, модуль підрівня LLC канального рівня 3, блоку хост інтерфейсу 3.1, мікроконтролера 3.2, блоку додатку прийомо/передавача 3.3, блоку шинного інтерфейсу 3.4, пам'яті S, модулю підрівня MAC рівня 4, контролера смуги частот 4.1, радіочастотного прийомо/передавача 4.2, аналізатора сигналу 5, модуля фізичного рівня 6, інтерфейсу фізичного рівня 6.1, антени 6.2., блоку автоматичного налаштування частоти 7.

Далі наводиться опис роботи даного пристрою. Керуючий блок 1, надсилає команду про відправку пакета та сам пакет на модуль 2, підрівень LLC. В модулі підрівня LLC через блок хост інтерфейсу 3.1, пройшовши відповідні перетворення, за допомогою додатків даного модуля, пакет стає фреймом. Після чого вбудований мікроконтролер 3.2 передає фрейм до блоку додатку прийомо/передавача 3.3 та через блок шинного інтерфейсу 2.4 записує дані про стан передавання до пам'яті S, де вони ще певний час зберігаються. Блок додатку прийомо/передавача 3.3 спрямовує фрейм до модуля підрівня 4. В модулі підрівня MAC контролер смуги частот 4.1 підбирає для даного фрейму оптимальний діапазон частот, та спрямовує фрейм до радіочастотного прийомо/передавача 4.2. В даному модулі відбувається як перетворення фрейму у електромагнітні коливання та й їх модуляція відповідно до вмісту фрейму. Після цього коливання передаються до модулю фізичного рівня 6, а інформація про підібраний блоком 4.1 діапазон частот передається до блоку автоматичного налаштування частоти 7. Блок 6.1 модулю фізичного рівня накладає електромагнітні коливання на частоту, яка налаштовується блоком 7. Коливання спрямовуються до антени 6.2, яка передає сигнал до радіоефіру.

Рис. 4 Інфрачервоний датчик руху (проникнення за лінію розмежування)

Аналізатор сигналу 5 постійно відстежує інформацію про стан передавання даних. Він відсилає відповідні запити до інтерфейсу фізичного рівня 6.1 та отримує від нього інформацію про стан передавання даних. Інформацію про стан передавання даних аналізатор сигналу 5 передає до керуючого пристрою 1, після чого відбувається прийняття рішення про зміну умов передавання даних за необхідністю. Під прийняттям рішень розуміється очікування покращення стану якості сигналу (за правилами алгоритму) або збільшення його потужності. До мережі з таким методом передачі даних можна приєднати датчики руху, що визначають проникнення людини через лінію розмежування. ІЧ-пасивні датчики, звані також оптико-електронними, відносяться до класу детекторів руху і реагують на теплове випромінювання руху людини. Принцип дії цих датчиків заснований на реєстрації зміни в часі різниці між інтенсивністю ІЧ випромінювання від людини і фонового теплового випромінювання. В даний час ІЧ-пасивні датчики є найпопулярнішими, вони становлять невід'ємний елемент охоронної системи практично кожного об'єкта.

Для того щоб порушник був виявлений ІЧ- пасивним датчиком, необхідне виконання наступних умов [17]:

• порушник повинен перетнути в поперечному напрямку промінь зони чутливості датчика;

• рух порушника має відбуватися в певному інтервалі швидкостей;

• чутливість датчика повинна бути достатньою для реєстрації різниці температур поверхні тіла порушника (з урахуванням впливу його одягу) і фону (стіни, підлоги).

ІЧ-пасивні датчики складаються з трьох основних елементів (рис. 2):

• оптичної системи, що формує діаграму спрямованості датчика і визначає форму і вид просторової зони чутливості;

• піроприймача, що реєструє теплове випромінювання людини;

• блоку обробки сигналів піроприймача, що виділяє сигнали, обумовлені рухом людини, на тлі перешкод природного та штучного походження. військовий комп'ютеризований безпроводовий

Системи, що використовують подібні мережі, з різного роду датчиками, широко використовуються для цивільного призначання. Подобні мережі з датчиками являються складовими системи «Розумний дім», що у свою чергу може бути складовою глобальної системи «Інтернет речей». Даний приклад перенесення технологій з цивільної сфери у військову і навпаки - є застосуванням систем подвійного призначення. Це спрощує пошук необхідних спеціалістів. Адже, цивільного інженера з обслуговування, що з якихось причин не може знайти роботу, можна буде залучити обслуговувати майже такі ж військові системи, які він вивчав у цивільному вузі і навпаки, військовий інженер після звільнення у запас зможе себе знайти у цивільному житті.

Висновки і пропозиції

Таким чином, вдалося реалізувати практично (структурна схема) ідею удосконалення технології безпроводового транспортування даних за рахунок перерозподілу, функцій міжрівневої взаємодії у сенсорних мережах, в рамках системи мережевого управління та приклад застосування такої мережі для військового призначення.

References

1. Kvasnikov V. P. Koncepciya povirky' koordy'natno-vy'miryuval'ny'x mashy'n cherez Internet / V. P. Kvasnikov, T. M. Xaejn // Metrologiya ta pry'lady'. - 2013 . - # 6. - S. 48-53.

2. Kvasnikov V.P. Sposoby' pobudovy' analogovy'x interfejsiv informacijno vy'miryuval'ny'x sy'stem mexanichny'x vely'chy'n / V. P. Kvasnikov, D. P. Ornats'ky'j, T. P. Nichikova, I. V. Gavry'lov // Mizhnarodny'j naukovo-texnichny'j zhurnal «Vy'miryuval'na ta obchy'slyuval'na texnika v texnologichny'x procesax». - 20l3. - # 1. - S. 164169.

3. Ornats'ky'j D. P. Analogovy'j interfejs dlya dy'stancijny'x vy'miryuvan' peremishhen' dy'feren- cial'no-transformatorny'my' indukty'vny'my' da- tchy'kamy' / D. P. Ornats'ky'j, M. V. My'xalko, O. I. Osmolovs'ky'j // Sxidno-Yevropejs'ky'j zhurnal peredovy'x texnologij. - 2014. - # 1/2 (67). - S. 52-57.

4. Akyildiz I. F. Wireless sensor networks: A survey. Computer Networks // IEEE Communications Magazine. - 2008. - P. 250.

5. Boukerche A., Oliveira H. Towards an integrated solution for node localization and data routing in sensor networks // In ISCC ` 17: 22th IEEE Symposium on Computers and Communications, Aveiro, Portugal, July 2017. - P. 449-454.

6. Boukerche A., Oliveira H., Nakamura E., A novel location-free greedy forward algorithm for wireless sensor networks // In Proceedings of the 2008 IEEE International Confer. on Communications (ICC 2008), Beijing, China, May 2008.

7. Brooks R. R., Iyengar. S. S. Multi-Sensor Fusion: Fundamentals and Applications / R. R. Brooks, S. S. Iyengar // Prentice Hall, Englewood Cliffs. - NJ. - 2009. - P. 120.

8. Hofmann-Wellenho B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice, 14th edition // Springer-Verlag, Berlin. - 2013.

9. Intanagonwiwat C., Govindan R., Estrin D. Directed diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks // In Proceedings of the 6th ACM International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom `00), Boston, MA, August 2008, ACM Press, New York, P. 56-67.

10. Niculescu D., Nath B. Ad hoc positioning system (aps) using aoa // I Proceedings of INFOCOM 2009, San Francisco, CA. - 2009. - P. 238.

11. Priyantha N., Balakrishnan H., Teller S. The cricket compass for context aware mobile applications // In 17th ACM International Conference on Mobile Computing and Networking. Rome, Italy, July 2016. - P. 325.

12. Savvides A., Han C. Strivastava M. Dynamic fine-grained localization in ad-hoc networks of sensors // In 7th ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, Rome, Italy, 2010. - P. 166-179.

13. Yu Y., Govindan R., Estrin D. Geographical and energy aware routing: A recursive data dissemination protocol for wireless sensor networks.

14. Dudmk A.S. Systema pokrashchennia bezpeky ta yakosь bezdrotovoho peredavannia danykh v zonakh nevpevnenoho pryiomu abo z nedostatnoiu zavadostьkіstiu / A.S. Dudmk, M.M. Yatsenko // Kompiuterm systemy ta merezhm tekhnolohn: III mtzhnar. nauk.-prakt. konf., 15 - 17 chervnia 2010 r.: tezy dopov. - K., 2010. - S. 38.

15. Dudmk A.S. Sposft p - vyshchennia produk- tyvnosri bezprvodovykh kompiuternykh merezh na os- novі mtzhrivnevoi vzaiemodn ta prystrii dlia yoho reabzatsь / A.S. Dudnyk, Ye.V. Shevtsova, O.O. Zubarieva // Problemy іnformatyzatsіi ta upravhnnia: zb. nauk. prats. - 2011. - № 4 (36). - S. 45 - 50.

16. Dudmk A.S., Shevtsova Ye.V., Yatsenko M.M., Zubareva O.O. Prystrii p - vyshchennia yakosti peredavannia danykh v bezdrotovykh merezhakh v zonakh nevpevnenoho pryiomu abo z nedostatnoiu zava- dostьktstiu Pat. № 6O4O0 Ukrainy, MPK N04V 7/005;. - № u201007469; Zaiavl. 15.06.10; Opubl. 25.06.11. Biul. № 12. - 4s.

17. Andreev S. P. YK-passyvnbie datchyky okhrannoi syhnalyzatsyy // Materyal yz zhurnala "Spetsyalnaia Tekhnyka" №2 1998 h.

Размещено на Allbest.ru