green sensor networks and microcontroller

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

А.А. Коваленко, В.В. Лукашенко, А.П. Плахтеев,

П.А. Плахтеев, А.А. Орехов, В.С. Харченко, А.А. Шамраев,

Е.О. Шамраева

Зеленые сенсорные сети и микроконтроллерные

системы. Методы и средства исследования и

разработки

Тренинг

Под редакцией В.С. Харченко

Green Sensor Networks and Microcontroller

Systems. Techniques and Tools

of Research and Development

Training

Проект

530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR

Green Computing & Communication

2016

УДК004.9+681.5 З-48 Викладено матеріали тренінг-курсу LLL2 "Techniques and Tools for Green

Industry Systems and Networks", розробленого в рамках проекту TEMPUS «Green Computing & Communication» (530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).

Курс базується на методичних та інструментальних засобах, призначених для оволодіння практичними навичками розроблення та дослідження енергоефективних мікроконтролерних систем, сенсорних мереж, а також мереж, толерантних до затримок (Delay Tolerant Network). Надано опис лабораторних робіт і тренінгів, які виконуються з використанням спеціальних програмно- апаратних засобів.

Для інженерів, які займаються розробленням та впровадженням енергоефективних мікропроцесорних систем і мереж, магістрів і аспірантів університетів, які навчаються за напрямами комп'ютерних наук, комп'ютерної та програмної інженерії, при вивченні та дослідженні методів і засобів зеленої ІТ- інженерії.

Рецензенты: Мохор Владимир Владимирович, директор Института проблем

моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова Национальной Академии наук Украины, доктор технических наук, профессор; Elena Zaitseva, Dr, Professor, Faculty of Management Science and Informatics University of Žilina, Slovakia.

З-48 Зеленые сенсорные сети и микроконтроллерные системы. Методы и средства исследования и разработки Тренинг. / Коваленко А.А., Лукашенко В.В., Плахтеев А.П., Плахтеев П.А., Орехов А.А., Харченко В.С., Шамраев А.А., Шамраева Е.О. / Под ред. Харченко В.С. – Министерство образования и науки Украины, Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского «ХАИ», Харьков. – 2016. – 160 с.

ISBN 978-966-662-718-9 Изложены материалы тренинг-курса LLL2 «Techniques and Tools for Green

Industry Systems and Networks», разработанного в рамках проекта TEMPUS "Green Computing & Communication" (530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).

Курс базируется на методических и инструментальных средствах, направленных на овладение практическими навыками разработки и исследования энергоеффективных микроконтроллерных систем, сенсорних сетей, а также сетей, толерантных к задержкам (Delay Tolerant Network). Представлено описание лабораторных работ и тренингов, которые выполняются с использованием специальных программно-аппаратных средств.

Для инженеров, которые занимаются разработкой и внедрением энергоэффективных микропроцессорных систем и сетей, магистров и аспирантов университетов, которые учатся по направлениям компьютерных наук, компьютерной и программной инженерии, при изучении и исследовании методов и средств зеленой ИТ-инженерии.

Библ. – 50 наименований, рисунков – 61, таблиц – 20. Утверждено на заседании ученого совета Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ» (протокол №1 от 2 сентября 2015 г).

ISBN 978-966-662-718-9

УДК004.9+681.5 © Коваленко А.А., Лукашенко В.В., Плахтеев А.П., Плахтеев П.А., Орехов А.А.,

Харченко В.С., Шамраев А.А., Шамраева Е.О. © Национальный аэрокосмический университет имени Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2016

Список сокращений

3

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

КНД коэффициент направленного действия

КУ коэффициент усиления

КмУ коммутационный узел

НСМ – наземные системы мониторинга

ПК – персональный компьютер

СС – сенсорные сети

ФАПЧ фазовая автоподстройка частоты DTN – Delay Tolerant Network (сети, нечувствительные к задержкам) ACLK – Auxiliary Clock (вспомогательное тактирование)

ADC – Analog-to-Digital Converter (аналого-цифровой

преобразователь, АЦП);

DAC – Digital-to-Analog Converter (цифро-аналоговый

преобразователь, ЦАП);

DCO – Digitally Controlled Oscillator (осциллятор с цифровым

управлением);

GIE – General Interrupt Enable (общее разрешение прерываний);

ISR – Interrupt Service Routine (процедура обработки прерывания);

LPM – Low-Power Mode (режим пониженного энергопотребления);

MCLK – Master Clock (главное тактирование);

NMI – Non-Maskable Interrupt (немаскируемое прерывание);

PC – Program Counter (программный счетчик);

SFR – Special Function Register (регистр специального назначения);

SMCLK – Sub-System Master Clock (подсистема главного

тактирования);

SP – Stack Pointer (указатель стека);

SR – Status Register (регистр статуса);

WDT – Watchdog Timer (сторожевой таймер)

Введение

4

ВВЕДЕНИЕ

Мотивация. Технологии зеленой ИТ-инженерии реализуются

в индустриальных системах, основанных на использовании

микроконтроллеров, системах мониторинга и коммуникациях,

базирующихся на сенсорных сетях и традиционных сетевых

решениях.

В индустриальных системах микроконтроллеры выполняют

функции контроля и управления объектами различной природы.

Такие объекты могут быть энергочувствительными или

энергокритичными. В любом случае реализация режимов

управления с минимизацией энергозатрат является важной

практической задачей. При этом микрокотроллеры и

микроконтроллерные системы сами являются объектами

энергоптимизации в случае, когда они встраиваются в мобильные

и/или автономные решения.

Для сенсорных сетей энергосбережение является одним из

ключевых принципов, поскольку узлы таких систем работают, как

правило, автономно и чувствительны к энергоемкости источников

питания и к их обслуживанию, связанному с заменой или

подзарядкой этих источников. Такие проблемы, в полной мере,

касаются и систем мониторинга, построенных с использованием

сенсорных сетевых технологий, в частности, систем мониторинга

лесных ресурсов.

Не менее важны и интересны для теории и практики вопросы

обеспечения энергоэффективности компьютерных сетей, которые

могут толерировать задержки в передаче данных. В этом случае

необходимо искать компромисс между энергетическими,

надежностными и временными характеристиками.

Указанные направления могут быть объединены в одном блоке

практических задач зеленой ИТ-инженерии. При этом

современному инженеру и исследователю в области

информационных технологий важно овладеть методиками и

средствами, способными проводить измерение, анализ

энергопотребления программно-аппаратных и сетевых решений,

осуществлять разработку и конфигурирование энергоэффективных

систем и сетей.

Введение

5

Цель и структура тренинг-курса. В пособии изложены

материалы тренинг-курса LLL2 "Techniques and Tools for Green

Industry Systems and Networks", разработанного для магистрантов,

аспирантов и инженеров в рамках проекта TEMPUS «Green

Computing & Communication» (530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-

TEMPUS-JPCR).

Курс базируется на методических и инструментальных

средствах, направленных на овладение практическими навыками

разработки и исследования энергоэффективных

микроконтроллерных систем, сенсорных сетей, а также сетей,

толерантных к задержкам (Delay Tolerant Network). Курс состоит

из четырех модулей, которым соответствуют разделы пособия.

Первый из них посвящен вопросам оценивания, анализа и

управления энергопотреблением сенсорных сетей, в частности, их

узлов. Тренинг этой части курса направлен на получение

практических навыков использования соответствующих

инструментальных средств, выбора настроек и т.д.

Во втором разделе освещены методики разработки систем

мониторинга с использованием энергоэффективных сенсорных

технологий. При этом описываются алгоритмы работы с

реальными средствами проектирования таких систем.

Третий раздел базируется на практикумах, направленных на

получение навыков расчета и выбора характеристик сетей,

толерантных к задержкам.

В четвертом разделе описываются методики и средства,

позволяющие минимизировать энергопотребление

индустриальной микроконтроллерной системы управления и

разработать зеленое программное обеспечение для такой системы.

Для всех модулей курса представлено описание лабораторных

работ и тренингов, которые выполняются с использованием

предлагаемых программно-аппаратных средств. К каждому

занятию тренинг-курса даны контрольные вопросы и задания,

представлен список рекомендуемой литературы.

В приложении приведена учебная программа курса.

Авторский коллектив. Пособие подготовлено сотрудниками

и соискателями кафедры компьютерных систем и сетей

Национального аэрокосмического университета им. Н.Е.

Жуковского "ХАИ" к.т.н., доцентом Плахтеевым А.П., м.н.с.

Введение

6

Плахтеевым П.А (раздел 1) и к.т.н., профессором Ореховым А.А.

(раздел 2), а также к.т.н., доцентом Лукашенко В.В. (раздел 3)

(Национальный авиационный университет, кафедра

компьютерных систем и сетей). Раздел 4 подготовлен к.т.н.,

доцентами Шамраев А.А., Шамраева Е.О. (Белгородский

государственный национальный исследовательский университет

«НИУ БелГУ», кафедра информационных систем), к.т.н., доцентом

Коваленко А.А. (НТЦ анализа и исследования безопасности

инфраструктур, Научно-производственное предприятие "Радий").

Д.т.н., профессор Харченко В.С. (ХАИ) написал введение, принял

участие в подготовке разделов 2,3, выполнил научное

редактирование книги и разработал программу курса.

Благодарности. Авторы выражают благодарность

рецензентам, коллегам по проекту, сотрудникам кафедр

университетов, академических институтов и индустриальных

партнеров за ценную информацию, методическую помощь и

конструктивные предложения, которые высказывались в процессе

обсуждения программы курса и материалов пособия.

1. Управление энергопотреблением узлов сенсорных сетей

7

1. УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ УЗЛОВ

СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

Цель и задачи тренинга

Целью тренинга является изучение и практическое

применение методов и программно-аппаратных средств

повышения энергоэффективности узлов беспроводной сенсорной

сети на основе микроконтроллеров с архитектурой ARM и AVR.

Учебные задачи:

изучение режимов энергосбережения AVR

микроконтроллеров узлов сенсорных сетей;

изучение способов оптимизации энергопотребления узлов

сенсорной сети на основе управления тактовой частотой ARM

микроконтроллеров.

Практические задачи:

получение навыков программирования режимов

энергосбережения AVR микроконтроллера с использованием IDE

Arduino;

получение навыков программирования частоты

тактирования ARM микроконтроллера.

Подготовка к тренингу

При подготовке необходимо:

уяснить цели и задачи работы;

изучить теоретический материал, приведенный в данном

руководстве, а также в работах [1-6];

установить инструментальные средства IDE Arduino,

Proteus, IAR Embedded Workbench ARM на компьютер;

познакомиться с примерами программ (см. приложения

А,Б).

Далее излагается теоретический материал, описываются

используемые программно-аппаратные средства и программа

практикума.


8

1.1 Способы снижения энергопотребления для

микроконтроллеров узлов сенсорных сетей

Узлы сенсорных сетей обычно строятся на основе микрокон-

троллеров, к соотношению энергопотребление/производительность

которых предъявляются повышенные требования. Также в состав

узлов входят энергоэффективные датчики и коммуникационные

средства, автономные источники питания или сбора энергии из

окружающей среды. Уровень энергопотребления определяет время

автономной работы узлов, увеличение которого является

актуальной задачей при построении сенсорных сетей. Для

снижения энергопотребления микроконтроллеров используются

несколько подходов:

1. Снижение напряжения питания.

2. Снижение тактовой частоты.

3. Отключение неактивных устройств.

4. Периодический перевод в режим сна ядра и периферийных

устройств.

Широкое распространение получили 8-разрядные AVR

микроконтроллеры и производительные 32-разрядные ARM

микроконтроллеры, у которых используются различные

механизмы реализации указанных подходов к управлению

энергопотреблением.

1.2 Управление энергопотреблением 8-разрядных

микроконтроллеров AVR серии ATmega

Пример эффективности использования режима сна для

ATmega88А описан в Application Note AVR4013 [1]. В

экспериментах в качестве источника питания МК использовался

конденсатор. Каждую секунду МК выполнял цикл АЦП,

симулировал 1000 циклов обработки, преобразовывал данные в

строку ASCII и результат передавал через USART. Исследована

продолжительность работы для 5 уровней оптимизации (рис. 1.1):

1. Без оптимизации.

2. Включение подтягивающих резисторов на неиспользован-

ных контактах ввода / вывода и отключение неиспользуемых мо-

дулей.

3. Деление тактовой частоты 8 MHz до 2MHz.


9

4. Использование экономии энергии в режим сна во время

ожидания следующий передачи данных.

5. Калибровка генератора для включения более высокой

скорости передачи данных.

6 9

198

217

40

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5

Tim

e,

se

c

Рис.1.1. Зависимость продолжительности расходования энергии

ATmega88А от уровня оптимизации энергопотребления

В этом примере время работы от конденсатора удалось

увеличить в 36 раз, что свидетельствует об эффективности

снижения тактовой частоты и минимизации времени нахождения

микроконтроллера в активном состоянии. В узлах сенсорных

сетей, критичных к уровню энергопотребления микроконтроллеры

находятся в режимах сна более 99% времени.

Изменение во времени потребляемой мощности (тока) –

профиль энергопотребления микроконтроллерного устройства,

управляющего некоторой нагрузкой может быть снято с помощью

осциллографа (рис. 1.2).


10

Рис. 1.2. Профиль энергопотребления

микроконтроллерного устройства

Помимо энергопотребления МК в активном режиме

(фрагменты 1), значительная доля энергии расходуется нагрузкой

(фрагменты 2), которая отключается в режиме сна (фрагмент 3).

Микроконтроллеры ATmegaxx8 имеют 6 режимов

энергосбережения [2, 3]:

1. Idle,

2. ADC Noise Reduction,

3. Power-save,

4. Power-down,

5. Standby,

6. Extended Standby.

Эти режимы отличаются составом оборудования, которые

сохраняют активное состояние, набором сигналов и временем

возврата в рабочий режим. Ключевую роль в выборе источника

тактирования и распределении сигналов синхронизации между


11

устройствами играет AVR Clock Control Unit (рис. 1.3). Устройство

также содержит средства сброса и сторожевой таймер.

Рис. 1.3. Распределение сигналов синхронизации в AVR

микроконтроллере

Все оборудование МК разделено на 5 групп с общими

источниками тактирования: асинхронные таймеры/счетчики

(clkASY), модули ввода/вывода общего назначения (clkI/O), АЦП

(clkADC), ядро и оперативное запоминающее устройство (clkCPU),

Flash и EEPROM (clkFLASH). Различие между режимами

энергосбережения иллюстрируется таблицей 1.1.


12

Таблица 1.1. Распределение сигналов синхронизации и

сигналов пробуждения

Примечания:

1. Используется только с внешним резонатором или генератором.

2. Если ТС2 работает в асинхронном режиме.

3. Для источников INT0, INT1 прерывания только по уровню.

Уровень энергопотребления микроконтроллеров

ATmega48PA/88PA/168PA/328P на частоте 1 МГц, напряжении

питания 1.8В и температуре 25 °С составляет [3]:

- 0.2 ма (Active Mode);

- 0.75 мка (Power-save Mode);

- 0.1 мка (Power-down Mode).

Выбор источника тактирования при конфигурации

микроконтроллера, чередование режимов работы позволяет

оптимизировать энергопотребление узлов сенсорных сетей с

автономным питанием для достижения требуемого времени

жизни.

Переход в режим сна предполагает выполнение нескольких

шагов и условий:

1. Разрешить прерывания!

2. Настроить источники прерываний!

3. Обеспечить удержание уровня до момента полного

просыпания процессора

4. Засыпание процессора никак не изменяет состояние ног и

состояние нагрузки.

5. Установить режимы работы Watchdog Timer.


13

6. Переход в режим сна возможен из главной программы, если

все прерывания обработаны.

Источники тактирования микроконтроллеров AVR ATtiny и

ATmega выбираются установкой конфигурационных Fuse bit и не

могут изменяться программно. Исключение составляет серия

микроконтроллеров ATxmega.

1.3 Отладочная плата для микроконтроллера ATmega328P

Существует множество отладочных плат для AVR

микроконтроллеров, начиная с универсальных STK300, STK500,

STK600 производства Atmel до любительских конструкций и

устройств на макетных платах.

В последние годы набирает популярность экосистема Arduino,

включающая конструктивы аппаратных средств, среды разработки

и средства отладки устройств на различных микроконтроллерах.

Одной из самых простых плат является Arduino mini на основе

микроконтроллера ATmega328P и Arduino micro на основе

ATmega32U4 [http://www.arduino.cc ].

Arduino mini (рис. 1.4) содержит контакты, на которые

выведены сигналы микроконтроллера и может быть установлена

на макетной плате для удобства подключения внешних элементов

при проведении экспериментов. В частности, может быть

установлен монитор тока питания.


14

Ри

с. 1.4

. П

лат

а A

rduin

o m

ini


15

Arduino mini не имеет встроенного преобразователя USB/UART,

поэтому используется внешний преобразователь (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Подключение Arduino mini к порту USB для

программирования и последовательного обмена

Для программирования плат используется IDE Arduino с С-

подобным языком, GCC Inline Assembly и многочисленные

библиотеки.

Библиотека <avr/sleep.h>

[http://playground.arduino.cc/Learning/ArduinoSleepCode] и примеры

использования упрощают разработку программ, использующих

режимы энергосбережения:

SLEEP_MODE_IDLE

SLEEP_MODE_ADC

SLEEP_MODE_PWR_SAVE

SLEEP_MODE_STANDBY

SLEEP_MODE_PWR_DOWN.

Использование указанных плат и соответствующих

программных средств позволяет оценить вклад исключительно

микроконтроллеров в энергопотребление сенсорных узлов и

использовать эти данные для проектирования энергоэффективных

сенсорных сетей.

1.4 Управление тактовой частотой 32-разрядного ARM

микроконтроллера LPC2134

Программное управление частотой тактирования реализовано

в ARM микроконтроллерах, даже с архитектурой ARM7TDMI,

таких, как LPC2134 производства NXP [5,6]. В составе LPC2134

имеется программно управляемый блок фазовой автоподстройки

частоты (ФАПЧ, PLL- Phase Loop Lock), который формирует сетку

http://playground.arduino.cc/Learning/ArduinoSleepCode


16

частот CCLK тактирования ядра из одной входной частоты FOSC

(рис.1.6).

Рис. 1.6. Формирование частот синхронизации ядра и

периферийной шины LPC2134

Для периферийных устройств тактирование ведется от шины

APB, частота FPCLK которой формируется делителем частоты (APB

Divider) ядра. Управление тактовой частотой периферийной шины

выполняется разрядами 1:0 регистра APBDIV (APB Divider

register), которые задают коэффициент деления FCCLK:

00 - FCCLK/4,

01 - FCCLK/1,

10 - FCCLK/2.

Для выбора частоты периферийной шины без деления следует

использовать оператор:

VPBDIV = 0x01;

Коэффициент множителя ФАПЧ MSEL и коэффициент

деления программируемого делителя PSEL позволяет выбрать

частоту FCCLK синхронизации ядра LPC2134:

FCCLK = FOSC × (MSEL + 1),

FCCLK ≤ 60 MHz,

FCCO = FCCLK × 2PSEL+1,

10 MHz ≤ FOSC ≤ 25 MHz

156 MHz ≤ FCCО ≤ 320 MHz,

0 ≤ MSEL ≤ 31,

0 ≤ PSEL ≤ 3.

Если FOSC = 14.7456 MHz, то доступна сетка частот FCCLK

{14.7456, 29.4912, 44.2368, 58,9824}, MHz. Анализ возможных


17

комбинаций <MSEL, PSEL> приведен в таблице 1.2. Выделены

комбинации, удовлетворяющие приведенным выше условиям.

Таблица 1.2. Расчетные значения

коэффициентов настройки ФАПЧ

На рис. 1.7 приведено размещение PSEL и MSEL в разрядах

регистра PLLCFG. В тех же разрядах, но в регистре состояния

ФАПЧ PLLSTAT хранятся текущие значения для этих

коэффициентов.

7 6 5 4 3 2 1 0

- PSEL.1 PSEL.0 MSEL.4 MSEL.3 MSEL.2 MSEL.1 MSEL.0

Рис. 1.7. Регистр конфигурации ФАПЧ PLLCFG

Так, для установки частоты 44.2368 МГц необходимо

выполнить:

PLL0CFG = 0x22; // MSEL=2, PSEL=1

Состояние специального бита PLOCK=1 в PLLSTAT.10

свидетельствует, что в ФАПЧ не закончена установка частоты,

заданной PSEL и MSEL. Только при PLOCK=0 разрешается


18

выдача выходных сигналов ФАПЧ. Это условие проверяется

программно:

while( !( PLL0STAT & PLOCK ));

Случайное изменение частоты синхронизации вследствие

сбоя в программе или ошибки может нарушить работу

микроконтроллерного устройства. Поэтому предусмотрено

подтверждение любых изменений параметров ФАПЧ

последовательной записью специальных кодов в регистр

PLL0FEED:

PLL0FEED = 0xAA;

PLL0FEED = 0x55;

1.5 Управление энергосбережением LPC2134

Управление энергосбережением выполняется с помощью

регистра управления питанием PCON (Power Control register):

PCON.0 (IDL) - Idle mode control (режим ожидания).

PCON.1 (PD) - Power-down mode control (режим сна).

Power-down mode достигается максимальный уровень

энергосбережения. Выход из режима сна обеспечивается

включенным устройством реакции на внешние прерывания.

В Idle mode останавливается только ядро, что необходимо,

например, при выполнении циклов АЦП. Активные периферийные

устройства продолжают работать.

Включение/отключение периферийных устройств

осуществляется посредством разрядов регистра PCONP (Power

Control for Peripherals register) - PC(AD1, I2C1, AD0, SPI1, RTC,

SPI0, I2C0, PWM0, UART1, UART0, TIM1, TIM0).

При использовании последовательного обмена, скорость

которого связана с частотой тактирования периферийной шины,

изменение частот FCCLK и FPCLK может нарушить взаимодействие с

другими устройствами. Одновременно с изменением частот

следует внести поправки в настройки используемых контроллеров

последовательных интерфейсов.

В последних моделях ARM Cortex M0(M3, M4, M7) расширен

набор режимов энергосбережения и независимого функциони-

рования ядра и периферийных устройств микроконтроллеров. В

многоядерных архитектурах возникает задача управления

активностью и энергопотреблением каждого из ядер.


19

1.6 Отладочные средства для контроллера LPC2134 NXP

На плате установлены все компоненты необходимые для

быстрого старта, 14.7456 MГц кварцевый резонатор, а на

отдельные разъемы выведены все порты контроллера LPC2134

16/32 bit ARM7TDMI-S™ (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Отладочная плата для контроллера LPC2134

Пользовательский светодиод, подключенный к линии P0.31

контроллера позволяет решать ряд задач без использования

внешних компонентов. В среде моделирования Proteus имеется

модель LPC2134 и примеры на его основе. Схема простейшего

устройства приведена на рис. 1.9а .

C программой Blink led [lpc-h2138-blink_led.zip]

микроконтроллер формирует периодическую последовательность

импульсов управления пользовательским светодиодом через P0.31.

С помощью виртуального осциллографа можно наблюдать

осциллограмму сигнала (рис. 1.9б ).


20

а)

б)

Рис. 1.9. Схема устройства на LPC2134 (а) и

осциллограмма сигнала (б)

Модель в Proteus (включая демонстрационные версии)

позволяет использовать различные программы для

микроконтроллера и задавать частоту синхронизации. Для этого в

окне редактирования свойств микроконтроллера указывается путь

к загрузочному файлу *.hex или отладочному файлу *.elf

(рис.1.10).


21

Рис. 1.10. Настройка модели микроконтроллера LPC2134

Пример экспериментальных данных измерения частот

выходных импульсов при изменении FCCLK приведены в таблице

1.3. Если частота выходных импульсов является критическим

показателем, то одновременно с изменением частоты следует

внести поправки для задержек, определяющих длительности

импульсов и пауз между ними.

Таблица 1.3. Частоты выходных импульсов

при изменении FCCLK

Разработка программ для ARM микроконтроллеров

выполняется в различных интегрированных средах средах с

использованием языка С, графических языков и пр. Одной из

мощных и универсальных сред разработки программ на языке С

является IAR Embedded Workbench (https://www.iar.com/iar-

embedded-workbench/arm/). Для экспериментов с LPC2134

достаточно возможностей демонстрационных IAR Embedded

Workbench ARM версий 4 и более поздних. Использовались

версии 4.42 и 6.30.

https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/arm/

https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/arm/


22

1.7 Программа исследований

В ходе выполнения практикума необходимо:

1. Ознакомиться со способами управления

энергопотреблением AVR и ARM микроконтроллеров.

2. Базируясь на программе, описанной в Приложении А,

построить варианты программ для различных режимов

энергосбережения.

3. С использованием IDE Arduino провести компиляцию

варианта программы, загрузить ее в микроконтроллер.

4. Проверить работу программы. Измерить ток потребления в

режиме сна.

5. Повторить пп.3,4 для различных режимов

энергосбережения. С помощью осциллографа получить профили

энергопотребления.

6. Обосновать и выбрать режимы энергосбережения для

построения узлов сенсорной сети.

7. Ознакомиться с программой управления частотой

тактирования ARM микроконтроллера LPC2134 (Приложение Б)

на виртуальной модели в среде Proteus.

8. C использованием отладочной платы с загруженной

программой и осциллографа измерить частоты выходных

импульсов и получить профиль энергопотребления.

9. Выбрать вариант изменения частоты тактирования

микроконтроллера при выполнении типовых задач узла сенсорной

сети.

10. Составить отчет о процесс исследования.

11. Сделать выводы по работе.

Требования к содержанию аналитического отчета

Отчет должен содержать:

титульный лист;

цель и программу проведения исследований;

схемы стендов;

результаты измерения энергопотребления;

результаты построения профилей энергопотребления; выводы по работе.


23

Контрольные вопросы и задания

1. Как частота тактирования влияет на энергопотребление

микроконтроллера?

2. Какие способы энергосбережения вы знаете?

3. Как связаны частота тактирования и напряжение питания


4. Сформулируйте задачу управления частотой тактирования

микроконтроллера.

5. Перечислите группы внутренних устройств

микроконтроллера с общим тактированием.

6. Что понимается под энергоэффективностью узла

сенсорной сети?

7. Как выбирается частота тактирования AVR


8. Перечислите основные характеристики микроконтроллера

ATmega328P.

9. Приведите примеры плат, где используется ATmega328P.

10. Каковы особенности использования микроконтроллеров в

узлах сенсорных сетей с автономным питанием?

11. Чем определяется «время жизни» узлов сенсорной сети?

12. Какой способ даем максимальный выигрыш в

энергосбережении?

13. Как выполняется перевод микроконтроллера в режим

«сна»?

14. Как выполняется вывод микроконтроллера из режима

«сна»?

15. Если FOSC =20 МГц, то какие частоты тактирования

LPC2134 можно получить?

16. Назовите порядок установки частоты тактирования с

использованием ФАПЧ.

17. Приведите примеры компаний-разработчиков средств

разработки программного обеспечения для AVR микроконт-

роллеров.

18. Перечислите порядок подготовки и загрузки программы в

IDE Arduino.

19. Чем ограничивается максимальная тактовая частота

LPC2134?


24

20. Какие параметры MSEL, PSEL нужно установить, чтобы

получить частоту тактирования LPC2134 40 МГц при FOSC =10

МГц?

21. Каким образом можно получить профиль

энергопотребления узла сенсорной сети?

Литература

1. AVR4013: picoPower Basics -

http://www.atmel.com/Images/doc8349.pdf

2. А.В. Евстифеев. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и

Mega фирмы Atmel. - М: Додэка-ХХI.-2004.- 560c.

3. Atmel 8-bit microcontroller with 4/8/16/32Kbytes in-system

programmable Flash. - http://www.atmel.com/images/atmel-8271-8-bit-

avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa-328-

328p_datasheet_complete.pdf

4. Тревор Мартин. Микроконтроллеры ARM7. Семейство

LPC2000 компании Philips. Вводный курс.- М: Додэка-ХХI.-2006.-

240c.

5. UM10120. LPC2131/2/4/6/8 User manual. Rev. 4-23, April

2012. - www.nxp.com/documents/user_manual/UM10120.pdf

6. http://olimex.com/dev/soft/arm/LPC/lpc-h2138-blink_led.zip

7. Amirthavarshini L.J et al. Wireless Sensor Networks in Green

Cloud Computing// International Journal of Scientific & Engineering

Research, Volume 6, Issue 10, October 2015

http://www.ijser.org/researchpaper%5CWireless-Sensor-Networks-in-

Green-Cloud-Computing.pdf

8. Smart Sensor Networks Technologies and Applications for

Green Growth, OECD, 2009 http://www.oecd.org/sti/44379113.pdf

9. C. Arun, K. Lakshmi Sudha. Agricultural Management using

Wireless Sensor Networks - A Survey // 2012 2nd International

Conference on Environment Science and Biotechnology, IPCBEE

vol.48 http://www.ipcbee.com/vol48/015-ICESB2012-B20011.pdf

10. Zahra Rezaei, Shima Mobininejad. Energy Saving in Wireless

Sensor Networks // International Journal of Computer Science &

Engineering Survey,Vol.3, No.1, 2012

http://www.airccse.org/journal/ijcses/papers/0212ijcses03

http://olimex.com/dev/soft/arm/LPC/lpc-h2138-blink_led.zip

http://www.oecd.org/sti/44379113.pdf

2. Разработка энергоэффективной сенсорной сети для системы

мониторинга лесных ресурсов

25

2. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СЕНСОРНОЙ

СЕТИ ДЛЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ

РЕСУРСОВ


Целью тренинга является изучение и практическое

применение элементов информационной технологии

проектирования инфраструктуры энергоэффективной

беспроводной сенсорной сети.


изучение методики проектирования энергоэффективной

сенсорной сети на основе выбора сетевой технологии, топологии и

оборудования;

изучение метода размещения оборудования системы

мониторинга заданного лесного полигона для обеспечения

требуемой полноты контроля и ограничении на стоимость системы

мониторинга.


получение навыков работы с утилитой «Test Polygon»;

проектирование инфраструктуры системы мониторинга

для заданного полигона.

Подготовка к тренингу

При подготовке к тренингу необходимо:

уяснить цели и задачи работы;

изучить теоретический материал, приведенный в данном

руководстве, а также в работах [1-6];

установить инструментальное средство «Test Polygon» на

компьютер;

познакомится с картой лесного ресурса.






26

2.1 Применение сенсорных сетей в системах мониторинга

Одной из областей применения сенсорных сетей (СС) является

построение наземных систем мониторинга (НСМ) для

обнаружения лесных пожаров (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Архитектура наземной системы мониторинга

лесных пожаров

Критериями для выбора инфраструктуры НСМ могут быть

полнота контроля, оперативность, надежность и экономическая

эффективность. Современные датчики могут обнаружить и

контролировать разнообразные статические и динамические

параметры, включая температуру, относительную влажность

воздуха, дым, направление и скорость ветра. Сенсорные системы

могут быть полезными не только для обнаружения пожара, но и

для принятия решения по его ликвидации. Если узлы сенсорной

сети имеют данные о собственном пространственном положении,

то можно не только оперативно узнать о начале пожара, но и с

высокой точностью определить, где находится очаг возгорания.

Существующие протоколы сделали узлы с датчиками способными

организовать сеть самостоятельно, без настройки. Архитектура

наземной системы мониторинга лесных пожаров проектируется с



27

учетом существующей инфраструктуры оборудования,

особенностей лесных зон, естественных ограничений и пр.

Задачи проектирования НСМ для обнаружения лесных

пожаров сводятся к выбору и/или размещению пожарных вышек и

необходимого оборудования (видеокамер, датчиков, средств

передачи данных и т.д.), чтобы обеспечить требуемую полноту

контроля и минимальную стоимость системы мониторинга. При

этом необходимо учитывать наличие зон повышенной пожарной

опасности и зон ограниченного контроля («запретная зона» на рис.

2.2) систем видеонаблюдения.

Рис. 2.2. Размещение сенсорной сети и решение задачи покрытия

заданной области

2.2 Проектирование энергоэффективной сенсорной сети

2.2.1 Выбор сетевой технологии

Любой стандарт создается для решения своего круга задач. К

примеру, Wi-Fi позволяет связываться на средних расстояниях с

относительно большими скоростями передачи данных (включая

видео и аудиоданные). Технология Wi-Fi ориентирована на

применение для доступа беспроводных устройств в

корпоративные сети и Интернет. Стандарт Bluetooth предназначен



28

для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth

существенно проигрывает в скорости Wi-Fi, но он идеален для

передачи потокового аудио или видео. Основная задача, решаемая

при помощи ZigBee - передача небольших объемов данных на

средние расстояния. Специфичность ZigBee состоит в том, что

приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь

минимальное энергопотребление. С IEEE 802.15.4 и ZigBee нельзя

передавать качественное потоковое аудио или видео высокой

четкости, зато можно реализовать сложные схемы мониторинга и

управления практически в любой сфере.

ZigBee/802.15.4 является единственной стандартизированной

беспроводной технологией, нацеленной на приложения

мониторинга и контроля, распределенные сети датчиков, на

развертывание беспроводных информационных сетей для

малопотребляющих систем, используемых в коммерческой,

промышленной и домашней автоматике:

− системы управления освещением (промышленные,

муниципальные и домашние);

− промышленная и домашняя автоматика и управление

(отопление, вентиляция и кондиционирование, вспомогательные

устройства и оборудование);

− потребительская электроника (мультимедиа/развлекательные

системы, портативная электроника), бытовая техника (стиральные

машины, кофеварки, кондиционеры, воздушные фильтры и т.д.);

− периферийное оборудование ПК: мышь, клавиатура,

игровые приставки, джойстики;

− системы сигнализации и безопасности, аварийного

оповещения, системы контроля доступа, бесконтактные ключи,

датчики дыма, газа, движения, пламени, температуры, давления и

т.д.;

− устройства медицинской диагностики пациента,

мониторинг состояния спортсменов, биодатчики и медицинское

оборудование;

− удаленное управление и контроль технологических

процессов, управление движущимися аппаратами, станками,

промышленным оборудованием, холодильными установками,

устройствами дистанционного сбора данных, телеметрия;



29

− мониторинг промышленных и портовых активов,

логистика;

− мониторинг систем водо-, газо- и теплоснабжения, системы

управления и инструментального контроля электроэнергии,

системы жилищно-коммунального хозяйства;

− беспроводные устройства обмена информацией,

радиомодемы, радиопередача;

− автомобильная электроника (системы контроля давления в

шинах, противоугонные системы, системы идентификации и

диагностики) и т.д.

Одним из основных преимуществ стандарта ZigBee/802.15.4

является простота установки и обслуживания подобных устройств.

Особенности спецификации ZigBee позволяют с легкостью

развертывать беспроводные персональные сети.

Сравнительные характеристики стандартов семейства 802.15 и

стандарта 802.11b приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Сравнение стандартов семейств 802.15. и 802.11b

Стандарт 802.15.4 Zigbee 802.15.1

Bluetooth

802.11b

Wi-Fi

Приложения Мониторинг,

управление

Голос,

данные

Данные,

видео

Частота, ГГц 0.868 0.915 2.4

Преимущества

Цена,

энергосбережение,

размеры

Цена,

передача

голоса

Скорость,

гибкость

Максимальная

скорость

20

кбит/с

40

кбит/с

250

кбит/с 1 мбит/с

11 мбит/с

и более

Дальность, м 10-100, 1000 100 100

Чувствительность,

дБм (сред). -92 -70 -76

Размер стека, КБ 4-32 >250 >1000

Срок службы

батареи, дней 100-1000 1-7 0,5-1



30

2.2.2 Выбор сетевой топологии

Стек ZigBee поддерживает различные конфигурации сети, в

том числе следующие топологии: «точка – точка», «звезда»,

«кластерное дерево (иерархическое)» и «многоячейковая сеть»

(рис. 2.3).

Топология «кластерное дерево» обеспечивает

масштабируемость сети и расширение зоны покрытия, не требуя

дополнительных затрат на инфраструктуру. Сеть типа «кластерное

дерево» может включать в себя несколько подсетей с топологией

«звезда» и устройствами с ограниченными функциями (RFD).

Помимо топологий типа «звезда» и «кластерное дерево»

технология ZigBee поддерживает многоячейковый принцип

построения сетей. При такой топологии любой сетевой узел

может выполнять также функции маршрутизатора для других

устройств в сети. Если возникло препятствие на пути сигнала от

одного узла к другому (бетонная или металлическая преграда и

т.п.), выбирается альтернативный маршрут для передачи данных

адресату. Более плотная концентрация сетевых узлов приводит к

более защищенной, надежной системе. Если один из узлов вышел

отказал, маршрут автоматически определяется через другие узлы

сети, и в результате сеть становится самовосстанавливающейся.

Рис. 2.3. Варианты топологии сетей



31

Все узлы многоячейковой сети способны обнаруживать

другие узлы и, распознав друг друга, вычислять оптимальный путь

передачи пакетов, максимальную скорость обмена, частоту

возникновения ошибок и время ожидания. Рассчитанные значения

передаются соседним узлам, а оптимальный путь передачи

трафика выбирается исходя из мощности принимаемых сигналов.

Процессы обнаружения узлов и выбора пути идут постоянно,

поэтому каждый узел поддерживает текущий список соседей и при

изменении их расположения может быстро вычислить наилучший

маршрут. Если какой-то узел изымается из сети (для технического

обслуживания или вследствие сбоя), соседние узлы быстро

изменяют конфигурацию своих таблиц и заново определяют

маршруты потоков трафика. Это свойство самовосстановления и

преодоления сбоев существенно отличает сети с ячеистой

топологией от сетей с жесткой архитектурой.

Особенности многоячейковых сетей:

создание зон сплошного информационного покрытия

большой площади;

масштабируемость сети (увеличение площади зоны

покрытия и плотности информационного обеспечения) в

режиме самоорганизации;

использование беспроводных транспортных каналов для

связи точек доступа в режиме «каждый с каждым»;

устойчивость сети к потере отдельных элементов.

Критерии выбора оптимальных путей в Mesh-сети:

длина пути (количество шагов);

надежность;

задержка;

пропускная способность;

загрузка;

стоимость передачи трафика.

Подытоживая все вышесказанное, можно прийти к выводу,

что описанная выше топология подходит в качестве топологии

построения беспроводной сенсорной сети системы мониторинга

лесных ресурсов. Так как сеть будет состоять из большого



32

количества узлов, то данная топология является наиболее

подходящей по следующим признакам:

– асинхронность передачи данных;

– отличная масштабируемость;

– высокая надежность;

– низкое энергопотребление;

– высокая пропускная способность;

– самоорганизация.

2.2.3 Выбор сетевого оборудования

Ряд компаний выпускает законченные модули ZigBee. Это

небольшие платы (2...5 кв. см.), на которых установлен чип

трансивера, управляющий микроконтроллер и необходимые

дискретные элементы.

Рассмотрим продукцию известных производителей компаний

Jennic, Texas Instruments (Chipcon) и DIGI. Рассмотрим

технические характеристики и достоинства основных продуктов

каждого производителя.

Таблица 2.2. Технические характеристики модуля

JN5121-Z01-M01 фирмы Jennic

Параметры Значение

Диапазон частот, ГГц 2,4

Скорость передачи данных, Кбит/с 250

Рабочее напряжение, В 2.7...3.6

Диапазон рабочих температур, ºС -20…+70

Выходная мощность, дБм -18…+5

Чувствительность приемника, дБм -90

Ток потребления, режим приема, мА 22

Ток потребления, режим передачи +5 дБм, мА 33

Ток потребления, режим передачи 0 дБм, мА 25

Количество каналов 16

Количество адресов в сети 65000

Размеры, мм 18*30

Радиус действия в свободном пространстве, м 100

Ориентировочная стоимость, USD 15.66



33

Новый приемопередатчик CC2520 стандарта 802.15.4

компанией Texas Instruments, с полным основанием может быть

отнесен к компонентам класса hi-rel. Он предназначен для

сложных условий эксплуатации и работает в расширенном

температурном диапазоне.

CC2520 представляет собой ZigBeeTM/IEEE 802.15.4

трансивер второго поколения, специально спроектированный для

радиочастотных приложений с частотой 2,4 ГГц (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Характеристика трансивера CC2520

Параметр Минимальное

значение Типичное Максимальное

Условия

эксплуатации

Диапазон частот,

ГГц 2.394 2.4835 2.507

Скорость

передачи, кбит/сек 250

Рабочая

температура -40ºС …+85 ºС

Выходная

мощность, дБм -18 +5

Режим приема 250

Чувствительность

приемника, дБм -98

Ток потребления в

режиме приема,

мА

22

Радиочастотная продукция компании Digi хорошо известна

мировым разработчикам благодаря радиочастотным модулям

XBeeTM и XBee-PROTM. XBeeTM и XBee-PROTM -

малогабаритные модули стандарта ZigBee/IEEE 802.15.4,

предназначенные для построения промышленных сетей передачи

данных (таблица 2.4).



34

Рассмотрев технические характеристики модулей, и сравнив

их между собой, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным

и приемлемым оборудованием для построения сети является

модуля XBee XB24CZ7UIS-004 фирмы DIGI (рис. 2.4).

Также стоит отметить, что из-за дешевизны выбранного

сенсора и большого радиуса покрытия, предполагается его

использование повсеместно. Он будет использоваться, как

маршрутизатор и конечное устройство, а координатор для данного

устройства входит в набор при заказе отладочного модуля к нему

Таблица 2.4. Технические характеристики модуля XBee XB24

фирмы DIGI

Параметры Значение

Диапазон частот, ГГц 2,4

Скорость передачи данных, Кбит/с 250

Рабочее напряжение, В 2.1...3.6

Диапазон рабочих температур, ºС -40…+85

Выходная мощность, дБм -18…+5

Чувствительность приемника, дБм -102

Ток потребления, режим приема, мА 22

Ток потребления, режим передачи +5 дБм, мА 33

Ток потребления, режим передачи 0 дБм, мА 25

Количество каналов 16

Количество адресов в сети 65000

Размеры, мм 34*22*3

Радиус действия в свободном пространстве, м 100

Радиус действия в свободном пространстве с

подключённой UFL антеной(поставляется в

комплекте), м

до 1200

Ориентировочная стоимость, USD 21.39



35

Рис. 2.4. Модуль XBee XB24CZ7UIS-004

2.3 Проектирование инфраструктуры сенсорной сети с

помощью инструментального средства «Test Polygon»

2.3.1 Инструментальное средство «Test Polygon»

В качестве инструментального средства проектирования

будем использовать программное обеспечение «Test Polygon». Эта

программа представляет собой средство для работы с

картографическим материалом с интегрированным в нее

алгоритмом покрытия произвольной области кругами с обходом

преград (реки, озера, населенные пункты и т.д.)

На рис. 2.5 изображен вид главной формы.

1. Рабочее поле / Карта подложка – переключение между

режимами отображения главного поля;

2. Показывать подложку – когда включена данная опция,

будет отображена оцифрованная карта;

3. Запретная зона – когда включена эта опция, происходит

переход к обрисовке многоугольника зоны исключения

синим цветом;

4. Cover – при нажатии этой кнопки происходит покрытие

выделенной области кругами;

5. Nearest Point – поиск ближайшей точки для завершения

многоугольника;



36

6. Start – обрисовка демонстрационного стартового

многоугольника для покрытия области кругами;

7. Коэффициент наложения (окружностей) – отношение

радиуса окружности к расстоянию между центрами

окружностей;

8. Радиус – радиус окружности, которыми будет покрываться

выделенный участок (радиус действия беспроводного

сенсорного узла согласно техническим характеристикам);

9. Подтягивать «выбившиеся» окружности – окружности,

центры которых не попали в выделенную область, но

находятся не далее, чем значение пункта 10,

«подтягиваются» к границе многоугольника;

10. Коэффициент правки – значение в долях от радиуса

окружности насколько близко должен быть центр

окружности к многоугольнику, чтобы его было

целесообразно переносить на границу выделенной области.

Рис. 2.5. Вид главной формы



37

2.3.2 Задание области исследуемой территории главным

многоугольником

Процедура задания области состоит из следующих шагов. На

первом этапе работы с инструментальным средством «Test

Polygon» выбираем опцию «Показывать подложку» (рис. 2.5).

Выделяем необходимую область многоугольником: правой

кнопкой мышки по точкам строим красный контур необходимого

участка и по окончании построения фигуры щелкаем правой

кнопкой два раза и «замыкаем» многоугольник. Получаем контур

территории, с которой будем работать. Результат процедуры

изображен на рис.2.6.

Рис. 2.6. Выделенная область участка мониторинга



38

2.3.3 Выделение запретной зоны в участке главного

многоугольника

Выбираем опцию «Запретная зона» (рис. 2.5) и рисуем контур

области, где не нужен контроль. Аналогично выделяем

необходимую область многоугольником: правой кнопкой мышки

по точкам строим теперь уже синий контур запретного участка и

по окончании построения фигуры щелкаем правой кнопкой два

раза и «замыкаем» многоугольник «запретной зоны». Полученный

результат изображен на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Выделенная область участка мониторинга с учетом

«запретной зоны»

2.3.4 Покрытие результирующей области датчиками

Покрытие результирующей области кругами с обходом

запретной зоны при коэффициенте наложения 0,5. Нажимаем

кнопку «Cover» (рис. 2.5) получаем результат покрытия



39

выделенной области кругами со следующими параметрами

(рис.2.8):

«Коэффициент наложения» = 0,5;

«Радиус» = 10 м;

опция «Подтягивать «выбившиеся» окружности»

включена;

«Коэффициент правки» = 0,38.

Рис. 2.8. Покрытие результирующей области кругами при

коэффициенте наложения равном 0,5 (Rдатч .= 10 м)



40

Также проведем проектирование для различных радиусов

действия датчика. На рис. 2.9 показан пример покрытия для Rдатч .=

20 м, а на рис. 2.10 – для Rдатч .= 50 м.


коэффициенте наложения равном 0,5 (Rдатч .= 20 м)



41


коэффициенте наложения» равном 0,5 (Rдатч .= 50 м)

Проведем проектирование для других радиусов действия

датчиков. В итоге получим следующую зависимость (табл. 2.5).



42

Таблица 2.5 Зависимость количества датчиков для покрытия

исследуемого участка при различном радиусе действия узла

(k=0,5)

Rдатч .

10

15

20

25

30

35

40

45

50

N(k=0.5)

534

240

137

92

69

53

42

33

26


запретной зоны при коэффициенте наложения 0,6. Проведем

эксперимент, аналогичный предыдущему, поменяв значение

коэффициента наложения на 0,6.

В итоге получаем таблицу зависимости (таблица. 2.6).

Таблица 2.6. Зависимость количества датчиков для покрытия


(k=0,6)

Rдатч .

10

15

20

25

30

35

40

45

50

N(k=0.6)

744

352

206

136

94

73

55

46

44


запретной зоны при коэффициенте наложения 0,7. Проведем

эксперимент, в котором покрытие исследуемого участка будет

происходить с коэффициентом наложения k=0.7 (табл. 2.7).



43

Таблица 2.7. Зависимость количества датчиков для покрытия


(k=0,6)

Rдатч . 10 15 20 25 30 35 40 45 50

N(k=0.7)

1041 469 273 179 131 98 77 65 53

2.3.5 Анализ полученных данных

На основании данных из таблиц 2.5-2.7 построим график

зависимости количества узлов в БСС от радиуса действия датчика

и себестоимости БСС с учетом, что себестоимость сети не должна

превышать 14 400 грн. (цена 1 беспроводного сенсорного узла

приблизительно составляет 240 грн.).

Рассмотрим график в точке радиуса действия сенсора равной

30 метров (рис. 2.11).

Рис. 2.11. График зависимости количества узлов в БСС от радиуса

действия датчика и себестоимости БСС

На вспомогательной вертикальной оси отложим заложенную

себестоимость БСС в 14 400 грн. и найдем пересечение этой линии

с графиками количества узлов для коэффициентов наложения 0.5,



44

0.6 и 0.7. После этого найдем минимальный эффективный радиус

действия сенсора:

- для коэффициента наложения 0.5 и количества узлов БСС 60

штук минимальный эффективный радиус действия сенсора равен

32,5 м;



38,75 м;



47 м.

Таким образом, применение методики проектирования

сенсорной сети и инструментального средства позволяет повысить

энергоэффективность сети, обеспечить требуемую полноту

контроля при ограничении на стоимость системы мониторинга, а

также сократить время проведения проектирования, повысить

точность расчетов, уменьшить долю ручного труда и количества

ошибок разработчика.

2.3.6 Программа исследований

В ходе выполнения тренинга необходимо:

1. Ознакомится с картой лесного ресурса (понимать структуру

карты, зоны пожарной опасности, запретные участки).

2. Получить исходный полигон для построения системы

мониторинга.

3. Выполнить идентификацию запретных участков полигона.

4. Обосновать и выбрать технологию построения сенсорной

сети.

5. Обосновать и выбрать топологию сенсорной сети.

6. Выбрать оборудование для узлов сенсорной сети.

7. Выполнить проектирование для различных радиусов

действия датчика и коэффициентов наложения.

8. Выбрать вариант инфраструктуры с учетом ограничений по

стоимости.

9. Составить отчет о процесс исследования.

10. Сделать выводы по работе.



45

Требования к содержанию отчета по тренингу


титульный лист;

цель и программу проведения исследований;

карту лесного полигона;

результаты покрытия, сформированных системой «Test

Polygon»;

результаты исследования сенсорной сети; выводы по работе.


1. Что такое мониторинг? Какие виды систем мониторинга вы

знаете?

2. Назовите критерии для выбора инфраструктуры наземной

системы мониторинга.

3. На каких современных технологиях базируются наземные

системы мониторинга?

4. Сформулируйте задачу проектирования НСМ для

обнаружения лесных пожаров.

5. Перечислите компоненты архитектуры наземной системы

мониторинга лесных пожаров. Что такое гибридная наземная

система мониторинга лесных пожаров и каковы ее преимущества?

6. Что понимается под энергоэффективностью сенсорной

сети? Обоснуйте важность проблемы обеспечения

энергоэффективности при построении систем мониторинга лесных

ресурсов на основе сенсорных сетей.

7. Какие вы знаете беспроводные сетевые технологии? Как

они могут быть классифицированы?

8. Перечислите основные характеристики технологии Wi-Fi.

9. Приведите примеры систем, где используется технология

ZigBee.

10. Каковы особенности использования сенсорных сетей в

задачах мониторинга лесных пожаров?

11. Чем определяется число узлов сенсорной сети системы

мониторинга лесных пожаров?

12. Какие вы знаете сетевые топологии? Как влияет выбор

сетевой топологии на энергоэффективность?



46

13. Какие модели лесных ресурсов необходимы для

проектирования наземных систем мониторинга?

14. Назовите основные этапы построения энергоэффективной

сенсорной сети.

15. Приведите примеры компаний-разработчиков модулей

ZigBee.

16. Перечислите функции инструментального средства «Test

Polygon».

17. Из каких шагов состоит процедура задания области

мониторинга?

18. Что такое запретная зона?

19. В чем суть метода пространственного покрытия плоскости

кругами и его место в процессе проектирования наземных систем

мониторинга на основе сенсорных сетей?

20. Какие исходные данные требуются для программы «Test

Polygon»?


1. Зелёная ИТ-инженерия. В 2-х томах. Том 2. Системы,

индустрия, социум. Лекционный материал / Под ред. Харченко

В.С. – Министерство образования и науки Украины,

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«ХАИ». – 2014. – 688 с.

2. Безопасность критических инфраструктур: математические

и инженерные методы анализа и обеспечения/ Под ред. Харченко

В.С. – Харьков: Национальный аэрокосмический университет им.

Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2011. – 641 с.

3. Информационные технологии для критических

инфраструктур: монография / Под ред. А.В. Скаткова –

Севастополь: СевНТУ, 2012. – 306 с.

4. Плахтеев А.П., Орехов А. А., Плахтеев П.А. Система

мониторинга лесных пожаров на основе сенсорных сетей //

Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2014. – №6(70). – С.85–89.

5. Тот Л.Ф. Расположение на плоскости на сфере и в

пространстве / Л.Ф. Тот. М.: Физматлит, 1958. – 365 с.

6. Астраков С.Н. Сенсорные сети и покрытие плоскости

кругами / С.Н.Астраков, А.И.Ерзин, В.В. Залюбовский



47

//Дискретный анализ и исследование операций // 2009. Том 16, №

3. C. 3–19.

7. Snehal A.Jadhav et al. Wireless Sensor Network Based

Monitoring System for Forest // International Journal on Recent and

Innovation Trends in Computing and Communication, Volume 3, Issue

3 http://www.ijritcc.org/download/1428990984.pdf

8. P.S. Jadhav et. al. Forest Fire Monitoring System Based On

ZIG-BEE Wireless Sensor Network // International Journal of

Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 12,

2012

9. Leila Maleki. Using Wireless Sensor Networks for Detection

Reliable Forest Fires, Elsevier, 26, 2013

http://www.slideshare.net/Leila_maleke/using-wireless-sensor-

networks-for-reliable-forest-fires

10. M. Hefeeda, M. Bagheri. Forest Fire Modeling and Early

Detection // Adhoc & Sensor Wireless Networks, Vol.7, No.3/4, p169-

224, 2009

11. Junguo ZHANG, Wenbin LI, Ning HAN, Jiangming KAN.

Forest fire detection system based on a ZigBee wireless sensor network.

- Higher Education Press and Springer-Verlag, 2008

http://eps2009.dj-inod.com/docs/09-04-

23/Forest_fire_detection_system_based_on_a_ZigBee_wireless_sensor

_network.pdf

12. M.A. Serna et al. Distributed Forest Fire Monitoring Using

Wireless Sensor Networks // International Journal of Distributed Sensor

Networks, Volume 2015.

http://www.hindawi.com/journals/ijdsn/2015/964564/

13. M.A. Serna, A. Bermudez, R. Casado, Circle-based

approximation to forest fires with distributed wireless sensor networks

// Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking

Conference (WCNC '13), pp. 4329–4334, April 2013.

14. M. Á. Serna, A. Bermúdez, R. Casado, Hull-based

approximation to forest fires with distributed wireless sensor networks

// Proceedings of the IEEE 8th International Conference on Intelligent

Sensors, Sensor Networks and Information Processing: Sensing the

Future (ISSNIP '13), Р.265–270, April 2013.



48

15. S.-W. Hong, S.-K. Noh, E. Lee, S. Park, S.-H. Kim. Energy-

efficient predictive tracking for continuous objects in wireless sensor

networks// Proceedings of the IEEE 21st International Symposium on

Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC '10), pp.

1725–1730, IEEE, Istanbul, Turkey, September 2010.

3. Исследование энергоэффективности компьютерных сетей с

толерантностью к задержкам

49

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ С ТОЛЕРАНТНОСТЬЮ К

ЗАДЕРЖКАМ

3.1 Расчет информационного и энергетического ресурса

сетей с толерантностью к задержкам


Целью тренинга является, овладение навыками расчета

дальности связи и времени передачи данных в сетях с

толерантностью к задержкам.


изучение архитектуры и протоколов обмена данными в сетях

с толерантностью к задержкам;

освоение методик расчета задержек обмена данными с

гарантированной вероятностью доставки.


выбор технических характеристик сетевых узлов для

доставки заданных объемов данных и оценка времени доставки при

ограничениях на энергетический ресурс сети;

использование анализаторов сетевого трафика: Wireshark

или SmartSniff для определения статистических характеристик

разнородного трафика типа "речь + видео + данные".

Функциональность, которую предоставляет Wireshark, очень схожа с

возможностями программы tcpdump, однако Wireshark имеет

графический пользовательский интерфейс и гораздо больше

возможностей по сортировке и фильтрации информации. Программа

позволяет пользователю просматривать весь проходящий по сети

трафик в режиме реального времени, переводя сетевую карту в

режим неселективного или "беспорядочного" захвата (англ.

promiscuous mode).

Исследовательская задача:

разработка методики оптимизации маршрутов доставки

данных по критерию максимальной вероятности доставки при

ограничениях на энергетический ресурс сети.

Подготовка к работе

При подготовке к работе необходимо:



50

– уяснить цели и задачи исследований;

– изучить теоретический материал, приведенный в описании,

а также в [1–4];

– проанализировать особенности построения и эксплуатации

сетей с толерантностью к задержкам, неустойчивости и случайным

нарушениям сеансов связи;

– ознакомиться с порядком работ и составить план

исследований.

Теоретический материал

3.1.1 Архитектура и протоколы сетей с толерантностью к

задержкам

Протокол TCP и большинство других транспортных

протоколов реализованы, исходя из предположения о том, что

между отправителем и получателем постоянно существует

рабочий путь; в противном случае протокол дает сбой, и пакеты не

доставляются.

В некоторых сетях сквозной путь часто отсутствует. В

качестве примера можно привести космическую сеть, в которой

спутники LEO (Low-Earth Orbit, низкая околоземная орбита)

попеременно находятся в зоне и вне зоны досягаемости наземных

станций. Каждый конкретный спутник может установить связь с

данной наземной станцией только в определенное время, а два

спутника никогда не могут установить связь друг с другом даже

через наземную станцию, так как один из них всегда находится вне

зоны досягаемости этой станции. Перспективные сети т. н.

"межпланетного Интернета" характеризуются задержками,

неприемлемыми для применения традиционных протоколов

сетевого и транспортного уровней. Например, ответ с Луны будет

идти полторы секунды, с Марса – в среднем около восьми минут.

Кроме того, необходимо учитывать затухание сигнала (а значит, и

уменьшения отношения сигнал/шум) по мере удаления

передатчика.

Другие примеры касаются специализированных, в частности,

беспроводных сенсорных сетей (Wireless Sensor Networks - WSN),

сетей с мобильными коммутационными узлами (авиационный

бортовой Интернет) и пр.



51

Для таких сетей связь является непостоянной из-за

перемещений или экстремальных условий. Тем не менее, передача

данных возможна и в сетях с непостоянной связью: эти данные

могут храниться на узлах до тех пор, пока не появится рабочее

соединение. Такой метод называется коммутацией сообщений.

Сети, сконструированные по такому принципу, называются

сетями, устойчивыми к задержкам (DTN, Delay-Tolerant Network),

или сетями, устойчивыми к задержкам и разрывам соединений

(DTN, Delay/Disruption-Tolerant Network).

Модель DTN предлагает отказаться от одного из

предположений, на которых основан современный Интернет. Оно

звучит так: в течение всего сеанса связи существует сквозной путь

между отправителем и получателем. Когда это не так, обычные

Интернет-протоколы не работают. Сети, устойчивые к задержкам,

обходят проблему отсутствия сквозного пути с помощью

архитектуры, основанной на коммутации сообщений (рис. 3.1).

Кроме того, они приспособлены к передаче данных по каналам с

низкой надежностью и большими задержками. Эта архитектура

определена в RFC 4838.

Рис. 3.1. Архитектура сетей с толерантностью к задержкам

В терминологии DTN сообщение называется посылкой. Узлы

DTN оснащены запоминающими устройствами – как правило, с

постоянной памятью (диски, флэш-память и т. д.). В них посылки

хранятся до тех пор, пока нужный канал не активизируется; затем

происходит отправка посылок. Каналы работают с перерывами.

Такая схема очень похожа на то, что происходит с пакетами

на маршрутизаторах. Однако здесь есть качественные отличия. На



52

маршрутизаторах в Интернете ожидание в очереди длится

несколько миллисекунд, в худшем случае – секунд. В узлах DTN

посылки могут храниться неопределенно долго – до тех пор, пока

мобильный узел не попадет в зону приема, самолет не

приземлится, узел сенсорной сети не накопит солнечную энергию,

необходимую для его работы, спящий компьютер не проснется и

т.д. Эти примеры иллюстрируют и второе отличие: узлы с

хранящимися в них посылками могут перемещаться (вместе с

автомобилем, кораблем или самолетом), и это может играть

ключевую роль в доставке данных; маршрутизаторы Интернета

двигаться не могут. Чтобы описать весь процесс перемещения

посылок, иногда используют термин «получение-перенос-

отправка» («store-carry-forward»).

Протоколы DTN впервые использовались в космосе (рис. 3.2).

Изображения должны приходить на пункт сбора данных. Но

спутник имеет непостоянную связь с тремя наземными станциями.

Двигаясь по орбите, он связывается ними по очереди. Таким

образом, спутник, наземные станции и пункт сбора данных

являются узлами DTN. По каждому контакту посылка (или часть

посылки) передается наземной станции. Затем посылки

доставляются на пункт сбора данных по транзитной наземной

сети. На этом передача завершается.

Рис. 3.2. Сеть космического базирования с




53

Основное преимущество архитектуры DTN состоит в том, что

она подходит для ситуации, когда требуется хранить информацию

в памяти, так как в момент получения информации связь

отсутствует. Помимо этого, у DTN есть еще два преимущества.

Во-первых, один контакт может быть слишком коротким, чтобы

отправить всю информацию. Эта проблема решается путем

распределения данных между контактами с несколькими

приемными узлами. Во-вторых, канал между спутником и

наземной станцией работает независимо от канала, соединяющего

станцию и наземную сеть. Это значит, что скорость обмена

данными между спутником и станцией не будет ограничена даже

при наличии медленных каналов в наземной сети. Данные могут

передаваться на максимальной скорости. Посылка будет храниться

на станции до тех пор, пока ее не удастся передать на пункт сбора

данных.

В описании архитектуры DTN не рассматривается вопрос

поиска оптимальных маршрутов через узлы DTN. Хорошие

маршруты зависят от архитектуры, которая описывает, когда

следует отправлять данные и по каким направлениям (контактам).

О некоторых контактах можно узнать заранее. Так, в космической

сети заранее известно движение небесных тел. В эксперименте по

использованию DTN в космосе заранее было известно время связи,

а также то, что контакт с каждой наземной станцией длится от 5 до

14 минут и что пропускная способность по нисходящему каналу

составляет 8,134 Мбит/с. С помощью этих сведений можно

планировать передачу информационных посылок.

В других случаях контакты можно предсказать с меньшей

долей вероятности. Примеры таких ситуаций – движущиеся

объекты, которые связываются друг с другом регулярно (по

расписанию), но все же с некоторыми отклонениями; сети

провайдеров, в которых внепиковое время и доступный ресурс

пропускной способности можно предсказать по данным,

полученным ранее. Другой крайностью являются ситуации, в

которых контакты являются эпизодическими и в произвольные

моменты. Например, так происходит при передаче данных от

пользователя к пользователю с помощью мобильных телефонов,

которая зависит от того, какие пользователи выйдут на связь друг



54

с другом в течение дня. Когда контакты непредсказуемы, одна из

возможных стратегий – отправлять копии посылки по разным

путям в надежде на то, что одна из копий дойдет до места

назначения до окончания времени ее жизни.

Рассмотрим теперь уровни эталонных моделей OSI, TCP/IP и

DTN и их применение на примере систем дальней космической

связи и передачи данных.

Старая модель дальней космической связи предусматривала

прямую передачу данных с космического аппарата на Землю во

время окна прямой видимости передающей и принимающей

антенн.

Новая модель предполагает, что космические аппараты будут

содержать в себе функцию, способную хранить большие пакеты

данных и передавать их дальше, как только откроется окно связи –

«store-and-forward». Попытки передачи продолжаются до тех пор,

пока узлу сети не удается связаться со следующим и успешно

передать ему данные. Этот принцип и был заложен в новый

протокол доставки расщепленных пакетов – Bundle (англ. свёрток,

связка) для сети с толерантностью к задержкам. На рис. 3.3

изображены уровни моделей OSI, TCP/IP и DTN.

Физический

Передачи данных

Сетевой

Транспортный

Сеансовый

Представления

данных

Прикладной

Межсетевой



От хоста к сети

Не присутствуют

Физический

Передачи данных

Сетевой



Доставки

расщепленных

пакетов

OSI TCP/IP DTN

Рис. 3.3. Уровни моделей OSI, TCP/IP и DTN



55

Формат сообщений протокола Bundle приведен на рис. 3.4. По

названиям полей можно понять назначение этого протокола.

Рис. 3.4. Формат сообщений протокола Bundle

Надёжность канала обеспечивается механизмом, носящим

название «перенос под надзором» (custody transfer): узлы сети

принимают на себя ответственность за передачу потерянных

пакетов. Если адресат объявляет, что данные к нему добрались с

нарушением целостности, производится повторная отправка

недостающих фрагментов с ближайших к нему узлов – а не

перепосылка их от изначального отправителя, как в нынешней,

земной реализации протокола TCP.

Помимо полей идентификаторов "Адрес назначения" и

"Источник", мы видим идентификатор "Ответственный

хранитель". Ответственный хранитель – это сторона, обязанная

следить за тем, чтобы пакет был доставлен. В Интернете эта роль

обычно возложена на источник, так как именно он выполняет

повторную передачу, если данные не доходят до пункта

назначения. Однако в DTN узел-источник не всегда находится на

связи и, следовательно, не всегда может узнать, доставлены ли

данные. Для решения этой проблемы в DTN используется

процедура custody transfer, при которой другой узел,

расположенный ближе к получателю, принимает на себя

ответственность за доставку данных. Например, если посылка

временно хранится на самолете и будет передана позднее и в

другом месте, самолет может стать ответственным хранителем

этой посылки.



56

Для защиты от космических хакеров передающиеся данные

полностью шифруются. Чтобы принять или отправить

информацию, узлы должны обменяться идентификационными

ключами и взаимно «узнать» друга.

Также намечены дальнейшие пути развития:

необходимость в изменении механизма контрольной суммы;

устранение зависимости протокола от временной

синхронизации.

В итоге добавление протокола Bundle в качестве надстройки в

DTN может способствовать улучшению автоматизированной

маршрутизации данных и повысить функциональную

совместимость для операций между различными сетевыми

сегментами.

Большинство низкоорбитальных спутников используют

межспутниковые каналы, чтобы построить сеть с динамичной

топологией, ограниченной зоной подготовки и памятью. Кроме

того, сама среда имеет ряд недостатков для передачи данных:

электромагнитные помехи, ограничение энергии, физические

отказы, сложность ремонта и другое. Все это усложняет процесс

разработки надежных протоколов. Для обеспечения передачи

данных с требуемым качеством необходимо рассчитывать

технические характеристики системы связи, в первую очередь,

дальность связи.

3.1.2 Расчет дальности радиосвязи

Общие сведения

Качество космической радиосвязи зависит от множества

различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров

бортовой и наземной антенн, длины волны, качества

приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения

сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения

космического аппарата.

Энергия электромагнитных волн убывает пропорционально

квадрату пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с

Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал,

переданный с Луны, а с Плутона – еще в тысячу раз слабее. Есть

несколько способов обеспечить мощность принимаемого сигнала



57

выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный –

увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать –

антенны системы дальней космической связи излучают в космос

до полумегаватта энергии. А на космическом аппарате бюджет

энергии жестко ограничен. Ее вырабатывают либо солнечные

батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения

большей мощности надо увеличивать их массу. При этом растут

также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток

вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена

возможностями ракеты-носителя, а увеличить же массу отдельной

системы за счет других чаще всего невозможно. Космические

аппараты – это очень гармоничные технические комплексы, где

все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно

изменить одну систему, не повлияв на параметры других.

В табл. 3.1 даны условные обозначения частотных

диапазонов, используемых в космической связи.

Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на

диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной

литературе точные границы диапазонов могут не совпадать.

Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6.

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к

спутнику и от спутника к земной станции не является

произвольным. От частоты зависит, например, поглощение

радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры

передающей и приёмной антенн.

Частоты, на которых происходит передача от земной станции

к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от

спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно

небольшими антеннами, и поэтому используется в космической

связи, несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия

оказывают существенное влияние на качество передачи.



58

Таблица 3.1. Условные обозначения частотных диапазонов

Название

диапазона Частоты (согласно ITU-R V.431-6) Применение

L 1,5 ГГц Подвижная

спутниковая связь

S 2,5 ГГц Подвижная


С 4 ГГц, 6 ГГц Фиксированная


X

Для спутниковой связи

рекомендациями ITU-R частоты не

определены. Для приложений

радиолокации указан диапазон 8-12

ГГц.

Фиксированная


Ku 11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц


спутниковая связь,

спутниковое вещание

K 20 ГГц



спутниковое вещание

Ka 30 ГГц



межспутниковая связь

Для передачи данных крупными пользователями

(организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает

более высокое качество приема, но требует довольно больших

размеров антенны.

Не менее важными фактором, влияющим на дальность связи,

является размер антенны и, соответственно, ширина ее диаграммы

направленности. При этом возникает необходимость точно

нацеливать антенну на приемный узел.

На рис. 3.5 изображен график типичной диаграммы

направленности антенны.



59

Рис. 3.5 График диаграммы направленности антенны в полярных

координатах

С другой стороны, в сложных межпланетных миссиях к

ориентации аппарата могут предъявляться многочисленные

противоречивые требования: повернуть солнечные батареи к

свету, двигатель – соответственно производимому маневру,

научную аппаратуру – на изучаемый объект. Поэтому придется

использовать ненаправленные или слабонаправленные антенны.

Дадим некоторые термины и определения, используемые в

расчетах дальности радиосвязи.

Термины и определения

Коэффициент направленного действия (КНД – Directivity)

антенны – отношение квадрата напряженности поля, создаваемого

антенной в данном направлении, к среднему значению квадрата

напряженности поля по всем направлениям. Обычно оперируют



60

значением КНД 0D в направлении максимального излучения

антенны.

КНД является безразмерной величиной, может выражаться в

децибелах.

КНД плоской апертуры

D0 = (4πSKи.п./λ2)cosθ0 (при условии, что луч отстоит от

плоскости апертуры на 2-3 ширины по уровню -3 дБ; S – площадь

апертуры; Kи.п. – апертурный коэффициент использования

поверхности; θ0 – направление сканирования луча, угол места в

сферической системе координат, отсчитываемый от нормали к

апертуре). Уменьшение КНД при сканировании (множитель cosθ0)

обусловлено расширением луча.

Приближенное значение КНД параболической антенны: 2 24 4D A S , где 2S R – геометрическая площадь

раскрыва; – коэффициент использования поверхности раскрыва.

Для параболических антенн можно применять приближенную

формулу: 2

0

0,5 0,5

460

àç óì

D

, где 0,5àç , 0,5óì – ширина диаграммы

направленности антенны на уровне половинной мощности по

азимуту и углу места соответственно.

Коэффициент усиления (КУ – Gain) антенны – отношение

мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой

ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны

создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные

значения напряженности поля или такой же плотности потока

мощности. Обычно оперируют значением КУ 0G в направлении

максимального излучения антенны.

КУ является безразмерной величиной, может выражаться в

децибелах.

Связь КНД и КУ антенны

КУ по мощности представляет собой произведение КНД и

– коэффициента полезного действия (КПД) антенны, с помощью

которого учитываются потери в антенно-фидерном тракте:



61

, 1G D

Между эффективной площадью A и КУ антенны существует

простая связь: 24G A .

Волновое сопротивление вакуума

00 0

0

118,916 983 2

376,730 313 461 77 120 Î ì ,

EZ c

H

где 0 – магнитная постоянная – физическая константа, скалярная

величина, входящая в выражения некоторых законов

электромагнетизма в виде коэффициента пропорциональности;

0 – электрическая постоянная – физическая константа,

скалярная величина, входящая в выражения некоторых законов

электромагнетизма, в том числе закона Кулона.

Приближённое значение для 0Z получается, если для

скорости света принять значение 83 10 м/c.

По определению электрическая постоянная 0 связана со

скоростью света и магнитной постоянной 0 соотношением

0 2

0

1

c

.

3.1.3 Методика расчета дальности радиосвязи

Оценка дальности радиосвязи производится путем расчета

или измерения напряженности электромагнитного поля в точке

приема, как правило, амплитуды напряженности электрического

поля ЕПР, которая убывает пропорционально квадрату расстояния

до точки приема.

Для расчета напряженности Епр может быть использована

формула Введенского:

ï ð 1 22

4 60P GE h h

r

,



62

где P – мощность передатчика; G – коэффициент направленного

действия (КНД) передающей антенны; – длина волны; r –

протяженность линии радиосвязи – дальность радиосвязи; 1 2,h h –

высоты подъема передающей и приемной антенн соответственно.

Однако данная формула учитывает зависимость дальности

связи только от технических характеристик передатчика

(выходная мощность радиопередатчика, тип антенн, высота их

подъема и ориентация в пространстве). В ней не учтены такие

важные факторы как:

чувствительность радиоприемника и уровень радиопомех в

точке приема;

длина и погонное затухание фидерной линии радиостанции;

характер местности, наличие препятствий на пути

распространения радио волн (РРВ).

Очень важной характеристикой производительности систем

связи является отношение "сигнал-шум" (ОСШ). ОСШ - это

отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов

на 1 герц ( 0bE N ). Рассмотрим сигнал, содержащий двоичные

цифровые данные, передаваемые с определенной скоростью - R

бит/с. Напомним, что 1 Вт = 1 Дж/с, и вычислим удельную

энергию одного бита сигнала: Eb = STb (где S - мощность сигнала;

Tb - время передачи одного бита). Скорость передачи данных

можно выразить в виде 1 bT . Учитывая, что тепловой шум,

присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства

или проводника составляет

0 Âò ÃöN kT , (3.1)

где N0 - плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы; k -

постоянная Больцмана, 231,3803 10 Äæ Êk ; T - температура в

Кельвинах (абсолютная температура), то, следовательно,

0 0

bE S S

N N kT

. (3.2)

Отношение 0bE N имеет большое практическое значение,

поскольку скорость появления ошибочных битов является

(убывающей) функцией данного отношения. При известном



63

значении 0bE N , необходимом для получения желаемого уровня

ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведенном

уравнении. Следует отметить, что для сохранения требуемого

значения 0bE N при повышении скорости передачи данных R

придется увеличивать мощность передаваемого сигнала по

отношению к шуму.

Довольно часто уровень мощности шума достаточен для

изменения значения одного из битов данных. Если же увеличить

скорость передачи данных вдвое, биты будут "упакованы" в два

раза плотнее, и тот же посторонний сигнал приведет к потере двух

битов информации. Следовательно, при неизменной мощности

сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечет за

собой возрастание уровня возникновения ошибок.

Пример 1

Рассмотрим метод кодирования сигнала, для которого

необходимо, чтобы отношение 0bE N равнялось 8,4 дБ при

частоте возникновения ошибок 10-4 (ошибочным является 1 бит из

каждых 10000). Если эффективная температура теплового шума

равна 290К, а скорость передачи данных - 1 Мбит/с, какой должна

быть мощность сигнала, чтобы преодолеть тепловой шум?

Решение:

По формуле (2) находим S:

0

bES kT

N .

Для упрощения расчетов переведем это выражение в

логарифмы:

äÁÂò

0 0

10lg 10lgb bE ES kT kT

N N

Так как 1 Мбит = 1048576 бит, то

23

äÁÂò 8,4 10lg 1,38 10 290 1048576 135,37S

или äÁÂò

141010 2,904 10 Âò

S

S .



64

Следовательно, для того, чтобы преодолеть тепловой шум,

необходима мощность 35,37 дБВт.

Расчет дальности работы беспроводного канала связи

Без вывода приведем формулу расчета дальности. Она берется

из инженерной формулы расчета потерь в свободном

пространстве:

33 20 lg lgSLF F r .

SLF (Free Space Loss) - потери в свободном пространстве (дБ);

F - центральная частота канала, на котором работает система связи

(МГц); r - расстояние между двумя точками (км).

SLF определяется суммарным усилением системы. Оно

рассчитывается следующим образом:

min+ äÁt r t rY P G G P L L , (3.3)

где äÁì ÂòP – мощность передатчика; äÁètG – коэффициент

усиления передающей антенны; äÁèrG – коэффициент усиления

приемной антенны; min äÁì ÂòP – чувствительность приемника на

данной скорости; äÁtL – потери сигнала в коаксиальном кабеле

и разъемах передающего тракта; äÁrL – потери сигнала в

коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.

Таблица 3.2. Зависимость чувствительности

от скорости передачи данных

Скорость Чувствительность

54 Мбит/с -66 дБмВт








Для каждой скорости приемник имеет определенную

чувствительность. Для небольших скоростей (например, 1-2



65

мегабита) чувствительность наименьшая: от –90 дБмВт до

–94 дБмВт. Для высоких скоростей чувствительность намного

выше. В качестве примера в табл. 3.3 приведено несколько

характеристик обычных точек доступа 802.11a,b,g.

В зависимости от марки радиомодулей максимальная

чувствительность может немного варьироваться. Ясно, что для

разных скоростей максимальная дальность будет разной.

SLF вычисляется по формуле

SL OMF Y S , (3.4)

где OMS (System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи

(дБ). Учитывает возможные факторы, отрицательно влияющие на

дальность связи, такие как:

температурный дрейф чувствительности приемника и выходной

мощности передатчика;

всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;

рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-

фидерным трактом.

Параметр OMS обычно берется равным 10 дБ. Считается, что

10-децибельный запас по усилению достаточен для инженерного

расчета. Центральная частота канала 0f берется из табл. 3.3.

Таблица 3.3. Вычисление центральной частоты

Канал

Центральная

частота

(МГц)

Канал

Центральная

частота

(МГц)

1 2412 8 2447

2 2417 9 2452

3 2422 10 2457

4 2427 11 2462

5 2432 12 2467

6 2437 13 2472

7 2442 14 2484



66

В итоге получим формулу дальности связи:

0

33lg

20 2010SLF

f

r

(3.5)

3.1.4 Программа разработок и исследований

В лабораторной работе необходимо исследовать зависимость

скорости передачи и пропускной способности сети DTN от

параметров трафика данных.

В качестве инструмента для измерения характеристик трафика

использовать программное средство Wireshark.

Рис. 3.6. Рабочее окно программы Wireshark



67

Рис. 3.7. Архитектура Wireshark

Этапы выполнения работы

1. Выполнить статистические исследования трафика сети с

помощью анализатора пакетов Wireshark.

1.1 Выполните установку на вашем компьютере программы

Wireshark. Программа Wireshark находится в свободном доступе

по адресу https://www.wireshark.org/

Для выполнения установки следуйте инструкциям Wireshark Setup

Wizard.

https://www.wireshark.org/



68

1.2 Зайдите в меню Capture > Options или нажмите Ctrl+K для

дальнейшей настройки параметров программы.

1.2.1 В разделе Capture в поле Interface выберите из

выпадающего списка Ethernet-адаптер, через который будет

происходить захват пакетов. Вы увидите окно Capture Options.



69

1.2.2 В разделе Capture в поле Interface выберите из

выпадающего списка Ethernet-адаптер, через который будет

происходить захват пакетов.

1.2.3 Затем нажмите кнопку Start для начала захвата пакетов.

В программе Wireshark вы увидите все захваченные пакеты,

которые присутствуют на LAN-порту устройства.



70

1.2.4 Зайдите в меню File > Save As… для сохранения

захваченных данных в файл.

1.2.5 С помощью программы Excel, меню "Сервис > Анализ

данных > Гистограмма" проанализируйте статистические

характеристики полученных выборок. На рис.

Uniform R(0;1)

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1 501 1001 1501 2001 2501

Рис.3.8. Выборка данных I с равномерным законом распределения



71

Гистограмма

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0.000437 0.185541259 0.370645519 0.555749778 0.740854037 0.925958296

Карман

Часто

та

Рис. 3.9. Гистограмма выборки I

Gauss(0;1)

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

1 501 1001 1501 2001 2501

Рис. 3.10. Выборка данных II с гауссовским законом

распределения


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

-5.832556 -3.771119704 -1.709683407 0.351752889 2.413189185 4.474625481

Часто

та

Рис. 3.11. Гистограмма выборки II



72

PARETO

0

1

2

3

4

5

6

1 501 1001 1501 2001 2501

Рис. 3.12. Выборка данных III с законом распределения Парето


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1.545813463 2.777232944 4.008652424 5.240071905 6.471491385 7.702910866Карман

Часто

та

Рис. 3.13. Гистограмма выборки III



73

2. Выполнить исследования характеристик обнаружения

сигналов в сети с толерантностью к задержкам.

Рассмотрим специализированную информационно-

коммуникационную сеть и задержками передачи. Сетевые узлы

могут быть как мобильными, так и стационарными (рис. 3.14).

Система управления

сетью Базовая станция

беспроводной сети

Рис. 3.14. Схема DTN-сети с мобильными узлами

Сеть содержит N коммутационных узлов (КмУ), один

источник ns и один узел сбора информации (приемник) nd . Схема

расположения узлов изображена на рис. 3.15.

Задача заключается в том, чтобы передать информацию от

источника ns на приемник nd с минимальной задержкой и

ограничением на расход энергии источника и сетевых

коммутационных узлов.

В сети с толерантностью к задержкам будем считать передачу

успешной, если выполняются следующие правила:

источник после передачи очередного сообщения получает

подтверждение о приеме сообщения хотя бы от одного КмУ;

КмУ, получивший сообщение, хранит его, пока не будет

установлено соединение с любым коммутационным узлом (кроме

того, от которого это сообщение получено) или пока не пройдет



74

определенное время до ожидаемого момента вхождения в контакт

с любым коммутационным узлом. КмУ – хранитель сообщения

передает его и получает подтверждение о приеме;

приемник, получивший сообщение от одного из ближайших к

нему КУ, в свою очередь, высылает подтверждение о получении;

если на любом из промежуточных этапов прохождения

сообщения по сети подтверждение i -м узлом

1,2, , ,i j M M N не получено в течение заданного

времени, передача сообщения i -м узлом повторяется.

sn sw1

sw2

sw3 swi

swj

swj,N-1

sw,N

dn

Рис. 3.15. Схема последовательных передач сообщений с

промежуточными подтверждениями

Считая законы распределения сигнала и шума взаимно

независимыми, используем для поиска закона распределения

суммы сигнала и шума формулу композиции законов

распределения 7.

Пусть входной сигнал представляет собой аддитивную смесь

полезного сигнала и шума:

y t s t n t .

Дисперсия сигнала âû õy : 22 0

âû õ 0 0 22

c

Ns t t dt N E

.

Вероятность обнаружения



75

ï ï

2

âû õ 0

âû õ

0 00 0

10 exp

2 22 2d

y y

y aEP w y s dy dy

N EN E

.(3.6)

Интеграл в правой части (6) является табулированной функцией –

интегралом вероятности x 7. Соответственно, вероятности

обнаружения dP и ложной тревоги fP можно записать в виде

ï 0 01 2 2dP y N E R

02R E N ; (3.7)

ï 0 01 2 2fP y N E

, (3.8)

где 2

0 0E s t t dt

– энергия "опорного" сигнала, который

определяется видом передаваемого сигнала.

С учетом теоретического материала, в частности, выражений

(1 – 8), разработана методика расчета дальности связи в свободном

пространстве.

1. Пусть имеется передатчик мощностью P с изотропным

излучателем. Электромагнитное поле излучается по сфере

радиусом r . Тогда плотность потока мощности на единицу

поверхности сферы определяется следующим выражением:

0 24

P

r

. (3.9)

2. Если энергия сигнала, генерируемого передатчиком,

излучается в пространство через антенну с коэффициентом

усиления G , то

24G

P G

r

. (3.10)

3. Мощность сигнала на входе приемника, который находится

на дальности r , равна

ýô ô

ï ðì ýô ô 24G

P G AP A

r

. (3.11)



76

4. С учетом соотношения 2

ýô ô4

GA

, где – длина волны

излучаемого сигнала, можно записать (11) в следующем виде:

2

ï ðì

ï ðì 24

P G GP

r

. (3.12)

5. Для учета влияния внутренних шумов и внешних помех

введем понятие "эквивалентный уровень шума на входе

приемника". Выразим его через коэффициент шума øk :

ï ðì

ø

ï ðì ø 0

BP k T fk

P N

, (3.13)

где 231,38 10Bk (Вт/Гц)К – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура источника излучения, К;

f – эквивалентная шумовая полоса пропускания

приемника; ï ðì øP N – отношение мощности сигнала, вычисленной

по формуле (12), к мощности шума, приведенной ко входу

приемника.

6. Примем 0 290 KT . Тогда

ï ðì

ï ðì ø ø0øB

PP N k

k T f k

. (3.14)

7. Из уравнения (14) получим

ø øBN k T f k . (3.15)

8. Объединяя уравнение (12) с уравнением (15) и вводя

множитель потерь sL для системы связи в целом, получим

уравнение дальности связи в простой и удобной форме:

2

ï ðì ï ðì

2

ø 0 ø4 B s

P P G G

N r k T f k L

. (3.16)

Видно, что отношение сигнал/шум на входе приемника обратно

пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и

приемником. На рис. 3.16 изображены графики зависимости

вероятности обнаружения от квадрата дальности для сигнала с

гауссовским распределением и сигнала с распределением Парето.

Для наглядности те же графики изображены на рис. 3.17 в



77

логарифмической шкале. Видно, что при увеличении дальности

вероятность обнаружения сигнала с распределением Парето

убывает медленнее, чем сигнала с нормальным (гауссовским)

распределением. Из-за такой специфической особенности

вероятностных распределений самоподобного трафика их часто

называю распределениями с "тяжелыми хвостами" (heavy-tale

distributions).

Введем нормированную дальность 0,5

norm maxr r r m .

Величина normr может рассматриваться как коэффициент,

учитывающий уменьшение дальности связи по сравнению с

максимальной вследствие вероятностного характера процесса

связи.

0

0.25

0.5

0.75

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Pr(2;2) Pr(2;2) Square Pareto

Pd

rнорм

Рис. 3.16. Зависимости вероятности обнаружения от

квадрата нормализованной дальности. Отношение

сигнал/шум по мощности равно 4



78

Целью работы является исследование зависимости

вероятности доставки сообщения от числа recm коммутационных

узлов, которые принимают сообщение и пересылают его дальше.

1.E-15

1.E-13

1.E-11

1.E-09

1.E-07

1.E-05

1.E-03

1.E-01 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Pr(2;2) Pr(2;2) Square Pareto

Pd rнорм

Рис. 3.17. Зависимости вероятности обнаружения от квадрата

нормализованной дальности (логарифмическая шкала).

Отношение сигнал/шум по мощности равно 4

Исходные данные для работы.

1. Вероятность доставки сообщения – не менее 0,9.

2. Нормированная дальность – от 1 до 2,5.

3. Отношение сигнал/шум – от 10 до 20 дБВт.

4. Коэффициенты усиления передающей и приемной антенн –

от 10 до 20.

Используя приведенные выше формулы, уравнения и

графики, необходимо рассчитать потребную мощность

передающих устройств, число и чувствительность приемных

устройств, при которых обеспечивается требуемая вероятность

доставки сообщений.



79

В выводах по работе необходимо обосновать результаты

теоретических расчетов. Можно использовать онлайн-калькулятор

для вычислений в теории вероятностей

http://portal.tpu.ru/SHARED/k/KONVAL/Sites/Russian_sites/calc_set/

01-4.htm#

Требования к содержанию отчета

Отчет должен включать:

– цели и программу проведения разработок и исследований;

– исследуемые конфигурации сетей с толерантностью к

задержкам и выбранные временные и энергетические

характеристики;

– особенности проведения эксперимента (число компьютеров,

объем накопленной информации, статистические характеристики

трафика и пр.);

– результаты оценки вероятностных характеристик,

представленные в виде таблиц и графиков:

а) экранные формы инструментального средства Wireshark;

б) минимальное, среднее и максимальное значение расхода

энергии для достижения требуемой вероятности обнаружения для

выбранного числа приемных коммутационных узлов в каждом

примере расчета;

– результаты анализа и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Объясните особенности протокола Bundle доступа к среде

передачи в сетях DTN. В чем отличие протокола Bundle,

используемого в сетях DTN, от протоколов TCP/IP?

2. Какие механизмы используются в технологии хранения-

пересылки специализированных сетей с толерантностью к

задержкам для гарантированной доставки сообщений? Поясните

их принципиальную разницу и назначение.

3. Какие задержки передачи возникают в беспроводных сетях

наземного и космического базирования? От чего зависит расход

энергии коммутационных узлов?

http://portal.tpu.ru/SHARED/k/KONVAL/Sites/Russian_sites/calc_set/01-4.htm

http://portal.tpu.ru/SHARED/k/KONVAL/Sites/Russian_sites/calc_set/01-4.htm



80

4. Что такое пропускная способность? Переведите и поясните

взаимосвязь между терминами: performance, latency, throughput, bit

rate, bandwidth, noise bandwidth.

5. Каким образом рассчитать дальность системы космической

связи?

6. Каким образом скорость передачи зависит от отношения

сигнал/шум и полосы пропускания системы связи?

7. Какими способами можно обеспечить пропускную

способность канала связи? Какой из этих способов более

эффективен для экономии энергии?

8. Каким образом на задержки доставки сообщений оказывает

влияние перемещения сетевых коммутационных узлов?

3.2. Тенденции развития информационно-

коммуникационных и компьютерных сетей с толерантностью

к задержкам и ограничениями энергоресурса

В структуре курса предусмотрен семинар на тему:

«Тенденции развития информационно-коммуникационных и

компьютерных сетей с толерантностью к задержкам и

ограничениями энергоресурса». В ходе семинара выполняется

анализ современных и перспективных разработок в области

специализированных коммуникационных сетей.

Цель семинара

Приобретение знаний и практических навыков по подготовке

и презентации выполненного проекта (реферата, аналитического

обзора, разработки) по вопросам современных подходов к

созданию высокоскоростных и энергоэффективных беспроводных

компьютерных сетей.

Подготовка к семинару

1. Получение (определение) темы работы (реферата

аналитического обзора, разработки) и уточнение задач.



81

Темы работ могут формироваться обучаемыми

самостоятельно и согласовываться с руководителями, исходя из

ориентировочного перечня:

– энергоэффективность беспроводных компьютерных сетей с

толерантностью к задержкам; показатели оценки и методы

обеспечения;

– влияние беспроводных компьютерных сетей на

окружающую среду; электромагнитное загрязнение окружающей

среды;

– анализ проблем больших задержек доставки сетей DTN и

подходы к их решению;

– инструменты построения и анализа энергоэффективности

сетей DTN;

– характеристики антенных систем сетей DTN и их влияние на

вероятность доставки сообщений;

– технологические особенности антенн дальней космической

связи.

2. Разработка плана работ и распределение

ответственности между участниками целевой группы. План

работ может быть представлен в виде диаграммы Ганта,

включающей основные мероприятия, сроки и распределение

ответственности между участниками целевой группы.

Целевая группа состоит из 3 человек. Примерный ресурс

времени на подготовку 93=27 часов (+ 15 мин презентации).

Распределение ответственности определяют участники группы.

3. Поиск информации по теме работы (библиотека,

Интернет) и ее предварительный анализ.

Англоязычные термины даны для удобства поиска

информации в Интернет. Возможно представление реферата и

презентации на английском языке, что повысит оценку за семинар.

Поиск информации осуществляется по ключевым словам,

приведенным в пункте 1.

Методические указания и список рекомендуемой литературы

к рефератам выдаются индивидуально (по группам).



82

4. Разработка плана отчета и презентации проекта. План отчета (и презентации) включает подготовку следующих

разделов:

– введение (актуальность, вызовы практики, краткий анализ

состояния вопроса – литературы, цель и основные задачи

реферата, структура и характеристика содержания, план работ и

распределение ответственности);

– систематизированное изложение основных частей реферата

(классификационные схемы, характеристика моделей, методов,

средств, технологий по группам, выбор показателей и критериев

для оценки, сравнительный анализ);

– выводы (констатация достижения поставленной цели,

основные теоретические и практические результаты, их

значимость, направления дальнейших работ);

– список литературы;

– приложения.

5. Написание отчета. Отчет имеет объем 15-20 страниц

формата А4 (шрифт 14, интервал полуторный, поля 2 см), включая

титульный лист, содержание, основной текст, литература,

приложения. Рефераты, подготовленные путем простой

компиляции материалов из Интернета, без тщательного

структурирования, с некорректной терминологией и без выводов

не рассматриваются.

Обязательным приложением к реферату является план работ и

распределение ответственности (диаграмма Ганта),

презентационные слайды и электронный вариант всех материалов.

6. Подготовка презентации. Презентация разрабатывается

в PowerPoint и соответствует плану реферата (10 – 15 слайдов),

исходя из времени на презентацию 10 мин.

Презентация должна включать следующие слайды:

– титульный слайд (с указанием темы доклада, автора, даты

презентации);

– содержание (структура) доклада;

– актуальность рассматриваемых вопросов, цель и задачи

доклада исходя из этого анализа;

– слайды с раскрытием содержания поставленных задач;



83

– выводы по докладу;

– список использованных источников.

Каждый из слайдов должен содержать колонтитул с указанием

темы и авторов доклада.

Содержание слайдов не должно представлять собой части

текста из отчета, а включать ключевые слова, рисунки, формулы.

Подача информации может быть динамической.

Защита работы

Защита работы осуществляется на семинаре. Время – 15 мин.

Включает доклад с презентацией (10 мин) и обсуждение (5 мин).

Оценка работы

При оценке выполненной работы учитываются качество текста

отчета (форма и содержание), презентации (содержание и дизайн),

доклад (структура, содержание и выводы), полнота, глубина и

правильность ответов на вопросы, точность и достоверность

полученных количественных результатов, правильность

использования теоретического материала.

Оценка за выполненную работу выставляется каждому

обучаемому из группы авторов доклада индивидуально в

соответствии с результатами и распределением ответственности.


1. Зеленая ИТ-инженерия. Т. 1: Принципы, модели,

компоненты. / В. С. Харченко и др.; под ред. В. С. Харченко. –

Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского "ХАИ", 2014. –

629 c.

2. Зеленая ИТ-инженерия. Т. 2: Системы, индустрия, социум. /

В. С. Харченко и др.; под ред. В. С. Харченко. – Харьков: Нац.

аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского "ХАИ", 2014. – 687 c.

3. Andrew S. Tanenbaum, Maarten van Steen. Distributed systems:

principles and paradigms. – Pearson Prentice Hall, 2007. - 686 р.

4. Tanenbaum A.S. Computer Networks, 5th Ed. / Andrew S.

Tanenbaum, David J. Wetherall. – Prentice Hall, Cloth, 2011. – 960 p.

5. Столлингс В. Современные компьютерные сети. 2-е изд. –

СПб.: Питер, 2003. – 783 с.



84

6. Петров В.В. Структура телетрафика и алгоритм обеспечения

качества обслуживания при влиянии эффекта самоподобия: Дисс.

… канд. техн. наук: 05.12.13 – Системы, сети и устройства

телекоммуникаций / Московский энергетический институт

(Технический университет). – М., 2004. – 199 с.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1969. –

576с.

8. Advances in Delay-Tolerant Networks (DTNs): Architecture and

Enhanced Performance / J.J.P.C. Rodrigues (Ed.) – Elsevier,

Cambridge, 2015. – 298 р.

9. Green IT: Technologies and Applications / Jae H. Kim and

Myung J. Lee (Eds.). – Springer, Berlin, 2011. - 443 p.

10. Handbook of Green Information and Communication Systems,

1st Edition. / Mohammad Obaidat, Alagan Anpalagan, Isaac Woungang

(Eds.)/ - Elsevier/Academic Press, Amsterdam, Boston, 2013. – 816р.

11. Green Communications and Networking / F. Richard Yu, Xi

Zhang, Victor C.M. Leung. - CRC Press, 2012. - 399р.

12. Mahendran V., Praveen T., Murthy C. S. R. Impact of Persistent

Storage on the DTN Routing Performance // L. Bononi et al. (Eds.):

ICDCN 2012, LNCS 7129. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 -

Р.513–524.

13. Cao Y., Cruickshank H., Sun Z. Asymmetric Spray and Multi-

forwarding for Delay Tolerant Networks // G. Giambene and C. Sacchi

(Eds.): PSATS 2011, LNICST 71. – Institute for Computer Sciences,

Social Informatics and Telecommunications Engineering. - 2011 -

Р.199–212.

14. Yu Y., Chen X. Research on Custody Transfer Service in Delay

Tolerant Network // Journal of networks, Vol. 8, No. 8, Aug.2013. –

P.1713 - 1719.

4. Разработка программного обеспечения для энергоэффективных

индустриальных микроконтроллерных систем

85

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ДЛЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ

Современные green-микроконтроллеры представляют собой

эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и

процессов. Они широко используются для создания систем по

обработке сигналов, сбору данных, выполнению функций

обработки и управления в промышленных, медицинских,

пользовательских, автомобильных электронных устройствах и

контрольно-измерительных приборах. При этом разработка

эффективного «зеленого» программного обеспечения является

центральным моментом общего процесса проектирования. Центр

тяжести функциональных свойств современных цифровых систем

находится именно в программных средствах.

Аппаратной платформой для тестирования и отладки

программного обеспечения энергоэффективных

микроконтроллеров стал специализированный лабораторный

стенд на базе MSP430, разработанный авторами главы.

Большинство технических решений, реализованных в стенде,

прошли натурные испытания в составе системы управления

электропитанием магнитных элементов линейного ускорителя

электронов ЛУ-40 [1]. Так, например, в состав стенда был включен

последовательный интерфейс для подключения оптической линии

связи, схемы опроса клавиатуры и управления светодиодными

индикаторами. Для расширения функциональных возможностей

разрабатываемого программного обеспечения в состав стенда

были включены дополнительные модули и разнообразные

датчики.

Применение лабораторного стенда возможно в различных

областях, требующих автоматизации процесса сбора, обработки

данных, дистанционного управления. Подсистема датчиков,

представленная датчиками температуры, влажности,

освещенности, тока расширяет сферы применения стенда, он

может быть использован для контроля климатических параметров

производственных процессов. Реализованные преобразователи

USB-COM, драйверы оптической линии связи, ZigBee-модуль на



86

базе CC2430/CC2431, интерфейс для подключения к Ethernet на

базе микросхем от WIZnet (W3100, W3150), обеспечивают обмен

данными, удаленный контроль и управление устройством по

различным протоколам.

В стенде присутствуют: знакосинтезирующий ЖКИ, который

используется для организации вывода текущей информации

непосредственно на объекте в реальном времени; клавиатура

может использоваться для управления устройством; flash-память

объемом 2 Мб дает возможность хранить, например, показания

датчиков, или исходные данные для выполнения действий –

генерации цифровых и аналоговых сигналов, управления другими

устройствами по заданной программе, выдачу статической и

динамической информации в качестве Web-сервера и так далее.

4.1 Аппаратная платформа для разработки программного

обеспечения на базе микроконтроллера MSP430F1611

Лабораторный стенд (рис. 4.1) реализован на базе

микроконтроллера MSP430F1611 производства компании Texas

Instruments.

Рис. 4.1. Лабораторный стенд и JTAG-программатор



87

Он включает в себя следующие функциональные элементы:

– микроконтроллер MSP430F1611;

– USB-интерфейс (FT232RL);

– датчик температуры (TMP275);

– датчик освещенности (TSL2561T);

– датчик влажности (HIH-4000-003);

– датчик тока (INA139); резистивный датчик;

– драйверы оптической линии связи (HFBR-2522 и HFBR-

1522);

– 8 светодиодов;

– сетевой модуль для подключения к ЛВС Ethernet 10/100Base

T (IIM7010A);

– 16 Мбит flash-память (AT45DB161B);

– аналоговые входы/выходы (микрофонный вход, 2 линейных

входа, 2 выхода ЦАП);

– клавиатуру 3x4 (AK-304-N-BBW);

– LCD индикатор (WH1602A-NGG-CT);

– трансивер стандарта ZigBee для построения беспроводных

сетей (PSIS2430);

– динамик, подключенный к ЦАП, через усилитель мощности;

– схему для измерения сопротивления.

Структурная схема лабораторного стенда представлена на рис.4.2.

Функции управления и синхронизации выполняет

микроконтроллер, который работает под управлением программы,

хранящейся во flash-памяти.

В задачи микроконтроллера входит прием и обработка данных,

поступающих от ПЭВМ, управление режимом работы цифро-

аналогового преобразователя (ЦАП) и аналого-цифрового

преобразователя (АЦП), обмен данными через локальную сеть

Ethernet или беспроводную сеть стандарта ZigBee.

Согласование электрических уровней сигналов между ПЭВМ и

стендом обеспечивает преобразователь уровней из КМОП-уровней

в уровни стандарта USB.

Двенадцати разрядный ЦАП обеспечивает формирование

выходного напряжения, пропорционального коду, а

подключенный к усилителю мощности динамик позволяет

формировать звуковые сигналы. Наличие микрофонного входа и



88

flash-памяти позволяет построить на базе стенда цифровой

магнитофон.

Схема

измерения

сопротивления

Аналоговый

вход


вход

Датчик

температуры

Датчик

освещенности

Датчик

влажности

JTAG

500мВ

1В

MSP430F1611

АЦП

Коммутатор USB

HFBR

1522/2522

Регистр I2C

PCА9538

Регистр I2C

PCА9538

Клавиатура 3×4

Светодиодный

индикатор

ZigBee

трансивер

Усилитель

мощности

UART

I2C

SPI

ЦАП


выход

Волоконно-

оптическая

линия связи

к компаратору

I2C

I2C

АЦП

LDO

Датчик токаАЦП

VCC

к ПЭВМ

JTAG

FLASH Преобразо

ватель

уровней

Ethernet

модуль

SPI

ЖКИ

RJ45SPI

I2C

Рис. 4.2. Структурная схема лабораторного стенда

Клавиатура 3х4 подключается к микроконтроллеру через

последовательный регистр PCA9538, что позволяет сократить

число линий для обмена данными с микроконтроллером и

значительно упростить программу обработки дребезга контактов

за счет использования сигналов прерываний от регистра, которые

генерируются в момент изменения входных сигналов.

Светодиодные индикаторы также подключаются к

контроллеру через последовательные регистры для сокращения

числа необходимых линий ввода/вывода.

Разнообразные датчики, установленные в стенде, позволяют

реализовать на нем систему сбора и обработки информации.

JTAG-интерфейс позволяет выполнять внутрисхемное

программирование контроллера, отлаживать программы в

реальном устройстве с оперативным доступом ко всем регистрам и

периферийным модулям контроллера.



89

ZigBee трансивер обеспечивает возможность построения

беспроводных сетей со скорость передачи до 250 кБод.

Коммутатор предназначен для выбора последовательно

интерфейса (USB или волоконно-оптическая линия связи).

Блок питания (LDO) обеспечивает все напряжения,

необходимые для работы схемы.

Особенностью стенда является отсутствие внешнего

источника питания (питание осуществляется от USB-порта),

контроль тока потребления и возможность программирования по

USB через BSL-загрузчик без использования JTAG

программатора.

4.2 Изучение принципов программного управления

обменом данными по последовательному интерфейсу I2C в

энергоэффективных микроконтроллерных системах

Цель и задачи тренинга.

Целью тренинга является изучение принципов программного

управления двунаправленным обменом данных по

последовательному интерфейсу I2C; получение практических

навыков и умений при проектировании программного обеспечения

для зеленых систем.


– изучение новой теории и методики создания программного

обеспечения энергоэффективных микроконтроллерных систем;

– изучение способов организации обмена данными по

последовательному интерфейсу I2C.


– получение навыков работы в инструментальной среде IAR

Embedded Workbench или Code Composer Studio;

– подготовка исходного модуля программы обмена данными

между микроконтроллером MSP430F1611 с регистрами PCA9538

по интерфейсу I2C в соответствие с индивидуальным заданием;



90

– сравнение тока потребления микроконтроллерной системы

при программном поллинге клавиатуры и при организации опроса

клавиатуры по прерываниям.

Подготовка к практикуму


– уяснить цели и задачи работы;

– изучить теоретический материал, приведенный в данном

руководстве, а также в работах [2] и [3]. Для более углубленного

изучения рекомендуются работы [4,6], а также [5,7];

– установить инструментальную систему IAR Embedded

Workbench или Code Composer Studio;

– ознакомиться с основными возможностями и принципами

функционирования последовательного интерфейса I2C,

принципами программного управления двунаправленным обменом

данных по последовательному интерфейсу I2C.




4.2.1 Система тактирования

В значительной степени энергопотребление

микроконтроллера зависит от системы синхронизации. Устройства

могут входить в режим пониженного энергопотребления и

выходить из него от нескольких раз до нескольких сотен раз в

секунду. Система тактирования микроконтроллеров серии MSP430

разработана специально для применения в устройствах с

батарейным питанием. [1] Низкочастотный вспомогательный

тактовый сигнал ACLK формируется обычным «часовым»

кварцем частотой 32 кГц. Сигнал ACLK может использоваться для

периодического «пробуждения» часов реального времени,

работающих в фоновом режиме. Встроенный высокочастотный

генератор с цифровым управлением (DCO) может формировать

основной тактовый сигнал (MCLK), используемый ЦПУ и

быстродействующими периферийными модулями. Время

пробуждения этого генератора и перехода в стационарный режим

составляет менее 1 мкс при частоте 1 МГц.



91

Решения на базе микроконтроллеров MSP430 эффективно

используют высокопроизводительное 16-битное RISC ЦПУ в

течение очень коротких интервалов времени, а именно:

– низкочастотный вспомогательный тактовый сигнал

используется для реализации режима ожидания со сверхнизким

потреблением;

– высокочастотный основной тактовый сигнал используется

для эффективной обработки сигналов.

4.2.2 Режимы пониженного энергопотребления

Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют пять режимов

пониженного потребления. В режиме Low-power mode zero (LPM0)

отключается вычислительное ядро, но все остальные функции

остаются активными. В режимах LPM1 и LPM2 в список

отключенных функций добавляются различные функции

синхронизации. LPM3 – наиболее часто используемый режим

пониженного энергопотребления, в котором остается активным

только низкочастотный автогенератор и все периферийные

устройства, использующие для работы синхросигналы этого

автогенератора. LPM3 часто применяется для работы в

прерывистом режиме, когда низкочастотный генератор

используется в качестве часов реального времени ввиду того, что

он работает от кварцевого резонатора частотой 32768 Гц и

потребляет менее 1 мкА. В режиме LPM4 выключаются все

встроенные задающие генераторы, что приводит к

автоматическому отключению всех синхронных периферийных

устройств. В этом режиме аналоговые периферийные устройства

могут оставаться в активном режиме, но если отключить и их, то

микроконтроллер (даже осуществляя регенерацию ОЗУ) будет

потреблять всего 100 нА.

4.2.3 Обработка прерываний

Прерывания способны вывести микроконтроллер из режима

пониженного потребления, поэтому, чем большее количество

прерываний используется, тем более гибко микроконтроллер

обеспечивает снижение общего потребления. Опрос состояний

выводов и периферийных устройств неизбежно приведет к



92

повышению потребления, поскольку это потребует

дополнительного времени пребывания микроконтроллера в

активном режиме.

Микроконтроллеры семейства MSP430 имеют обработчик

прерываний от 16 линий портов ввода/вывода общего назначения,

а также от всех периферийных устройств. Некоторые

периферийные устройства, для обеспечения большей гибкости

имеют несколько прерываний.

4.2.4 Интеллектуальные периферийные модули

Микроконтроллеры семейства MSP430 разрабатывались как

низкопотребляющие, и поэтому их периферийные модули также

имеют низкое потребление. Если АЦП MSP430 не выполняет

преобразования, то оно не потребляет тока, блокируя встроенный

задающий генератор и цифровую схему обработки. Перед началом

преобразования модуль автоматически включается или

перезапускается. Кроме того, периферийные устройства могут

управляться прерываниями от других периферийных устройств.

Например, АЦП микроконтроллеров семейства MSP430 может

быть запущен таймером «Timer_A» или «Timer_B», что позволяет

синхронизировать выборки АЦП и выполнять их без

использования вычислительной мощности ядра.

Некоторые микроконтроллеры семейства MSP430 имеют

функцию прямого доступа к памяти (DMA), которая позволяет

автоматически обрабатывать данные без вмешательства

вычислительного ядра. Использование контроллера DMA

позволяет не только увеличить скорость обработки данных, но, что

еще более важно, и снизить потребляемую мощность.

Управление синхронизацией периферийных модулей – другая

важная характеристика, которая позволяет снизить средний ток

потребления системы. Так I2C модуль микроконтроллеров

семейства MSP430 имеет непосредственное управление системой

синхронизации, таким образом, если I2C модулю нужны

синхросигналы, то он автоматически активизирует задающий

генератор. Это также позволяет вычислительному ядру оставаться

отключенным, в то время как имеется возможность декодировать

I2C адрес.



93

4.2.5 Конфигурация последовательного интерфейса для

работы в режиме I2C

Универсальный синхронно/асинхронный приемопередающий

(USART) периферийный интерфейс поддерживает связь по I2C в

модулях USART0 микрокотнроллеров MSP430x15x и MSP430x16x

(рис. 4.3 [2]).

Рис.4.3. USART0 в режиме I2C

Модуль I2C поддерживает любые ведущие и ведомые

устройства, совместимые с I2C. На рис.4.4 [2] показан пример

шины I2C. Каждое устройство обладает уникальным адресом и

может работать и как передатчик и как приемник. Ведущий

инициирует передачу данных и генерирует тактовый сигнал SCL.

Любое устройство, адресованное ведущим, рассматривается как

ведомое.



94

Рис. 4.4. Схема подключений на шине I2C

При передаче каждого бита ведущим устройством

генерируется один тактовый импульс. Модуль I2C работает с

данными побайтно. Сначала перемещается старший значащий

разряд.

Первый, после условия «СТАРТ», байт состоит из адреса

ведомого и бита R/W . Когда R/W 0 , ведущий передает данные

ведомому. Когда R/W 1 , ведущее устройство принимает данные

от ведомого. Бит ACK посылается приемником после каждого

байта на 9-ом такте SCL как подтверждение принятых данных.

Данные на SDA должны быть неизменны в течение периода

высокого уровня SCL. Высокий и низкий уровень SDA может

изменяться, только когда SCL имеет низкий уровень, в противном

случае будет сгенерировано условие «старт» или «стоп».

Модуль I2C поддерживает 7-разрядный и 10-разрядный

режимы адресации [2]. В 7-разрядном формате адресации (рис.

3.5), первый байт – это 7-разрядный адрес ведомого и бит R/W .

Бит ACK посылается приемником после каждого байта.

В 10-разрядном адресном формате (рис. 4.6), первый байт

содержит 11110b и дополнительно два старших бита 10-

разрядного адреса ведомого и бит R/W . Следующий байт

содержит оставшиеся восемь бит 10-разрядного адреса ведомого,

завершающиеся битом ACK, за которыми следуют байты данных.



95

Рис.3.5. 7-разрядный формат модуля I2C

Рис.4.6. 10-разрядный адресный формат модуля I2C

4.2.6 Конфигурирование USART для функционирования I2C

Контроллер I2C является частью периферии USART. Для

работы в режимах SPI или I2C необходимо установить бит SYNC.

Установка бита I2C, при SYNC=1 приводит к выбору режима I2C.

Биты SYNC и I2C могут быть установлены вместе в одной

команде для выбора режима I2C в модуле USART0.

После инициализации модуль I2C готов для выполнения

операций передачи и приема. Очистка I2CEN прекращает работу

модуля.

4.2.7 Прерывания I2C

Флаги прерывания I2C разделены по приоритетам и

объединены в источник одного вектора прерывания. Регистр

вектора прерывания I2CIV используется для определения, какой

флаг запросил прерывание. Разрешенное прерывание с наивысшим

приоритетом генерирует число в регистре I2CIV, и используется

для автоматического перехода к соответствующей процедуре

обработки. Запрещенные I2C прерывания не воздействуют на

содержимое I2CIV. При любом доступе (чтение или запись) к

регистру I2CIV автоматически сбрасывается флаг ожидающего

прерывания с наивысшим приоритетом.

Если устанавливается другой флаг прерывания, после

обработки начального прерывания немедленно генерируется

другое прерывание.

Форматы управляющих регистров модуля I2C приведены в [2]

стр. 285-295.



96

4.2.8 Описание лабораторной установки

Для обеспечения возможности ручного управления

микроконтроллерным стендом в его состав включена клавиатура

3х4 (AK-304-N-BBW), которая подключена через регистр

PCA9538 к шине I2C.

PCA9538 – это 8-разрядный регистр ввода/вывода для

последовательной двухпроводной шины данных I2C, с рабочим

диапазоном напряжением питания от 2,3В до 5,5В. Он

обеспечивает общие функции ввода/вывода для большинства

типов микроконтроллеров через интерфейс I2C (сигнал

тактирования SCL и сигнал данных SDA).

Адрес регистра на шине I2C определяется пятью

фиксированными старшими разрядами – 11100, и двумя

адресными линиями A0 и A1, которые для управляющего

клавиатурой регистра подключены к шине питания, поэтому адрес

регистра на шине I2C – 73h (1110011).

Формат обмена данными между ЦП и последовательным

регистром по протоколу I2C изображен на рис. 4.7.

S

1

Адрес ведомого, 73h

7

Wr

1

Номер регистра (1-3)

8

A

1

A

1

Байт данных

8

A

1

P

1

Запись данных в регистр по протоколу I2C:

S

1


7

Wr

1

Номер регистра (0-3)

8

A

1

A

1

Байт данных 1

8

A

1

...

Байт данных N

8

A

1

P

1

...Байт данных 2

8

A

1

Чтение данных из регистра по протоколу I2C:

Sr

1


7

Rd

1

A

1

A Подтверждение приема

P Условие «СТОП»

S Условие «СТАРТ»

Wr Флаг передачи данных от ЦП (разряд = 0)

Sr Повторное условие «СТАРТ»

Rd Флаг передачи данных от регистра (разряд = 1)

Направление передачи – от ЦП к регистру

Направление передачи – от регистра к ЦП

Условные обозначения:

Рис. 4.7. Формат обмена данными между ЦП и регистром I2C

Условия «СТАРТ» и «СТОП» генерируются ведущим

устройством – центральным процессором (ЦП). Первый после



97

условия «СТАРТ» байт состоит из 7-ми разрядного адреса

устройства (73h) и бита /R W . При /R W =0, ЦП передает данные

регистру, а когда /R W =1, то ЦП принимает данные от регистра.

Бит ACK посылается приемником после каждого байта на 9-ом

такте SCL. Два младших разряда второго байта (B1, B0) указывают

номер внутреннего регистра PCA9538, к которому идет

обращение. В третьем байте передаются непосредственно данные.

В конце обмена данными ЦП генерирует условие «СТОП».

В табл. 4.1 отображен список внутренних управляющих

регистров микросхемы PCA9538.

Таблица 4.1. Управляющие регистры микросхемы PCA9538

Разряд Байт

команды Регистр Протокол

Значение по

умолчанию B1 B0

0 0 0x00 Input port Чтение xxxx xxxx

0 1 0x01 Output port Чтение/запись 1111 1111

1 0 0x02 Polarity

Inversion Чтение/запись 0000 0000

1 1 0x03 Configuration Чтение/запись 1111 1111

Регистр ввода (Input port, 0x00) отражает поступающие

логические уровни на ножках ввода-вывода P0-P7. Он доступен

только для чтения.

Регистр вывода (Output port, 0x01) задает выходные уровни

напряжения на выводах, направление которых определено на

вывод регистром конфигурации. Выводы, которые настроены на

ввод, не изменят своего состояния.

Регистр инверсии полярности (Polarity Inversion, 0x02)

инвертирует значения сигналов на выводах, настроенных на ввод.

Если разряд в этом регистре установлен в 1, соответствующий

входной сигнал проинвертирован, если сброшен – сигнал не

изменит свою полярность.

Регистр конфигурации (Configuration, 0x03) задает

направление выводов P0-P7. Если разряд в этом регистре

установлен в 1, то направление соответствующего вывода

настраивается на ввод, а если сброшен в 0 – на вывод.

Для опроса клавиатуры разряды P4…P6 регистра необходимо

настроить на режим вывода, так как они будут стробировать



98

столбцы, а оставшиеся разряды P0…P3 – на ввод, они будут

реагировать на нажатие клавиши в столбце, выбранном разрядами

P4…P6. (рис. 4.8).

“1” “2” “3”

“4” “5” “6”

“7” “8” “9”

“*” “0” “#”

P0

P1

P2

P3

P4 P5 P6 Рис. 4.8. Пример опроса клавиатуры

Программный опрос клавиатуры выполняется следующим

образом: в цикле последовательно на один из разрядов P4…P6

подается сигнал низкого уровня, затем опрашиваются разряды

P0…P3 на предмет появления сигнала низкого уровня, что будет

означать нажатие кнопки в выбранном столбце и строке. На

рис. 4.9 показаны временные диаграммы опроса клавиатуры в

момент нажатия кнопки «8». На разряд P5 подается низкий

уровень, и при опросе разрядов P0…P3, в разряде P2

обнаруживается низкий уровень, что означает нажатие кнопки во

втором столбце третьей строки, что соответствует клавише «8».



99

P6

P5

P4

P3

P2

P1

P0

Строб 1-го столбца P4 Строб 2-го столбца P5 Строб 3-го столбца P6

Ни одна кнопка в

строках P0-P3 не нажата

Ни одна кнопка в

строках P0-P3 не нажата

Нажата кнопка в

третьей строке (P2)

Рис. 4.9. Временные диаграммы при программном опросе

клавиатуры

С точки зрения энергопотребления программный поллинг

клавиатуры является неэффективным, т.к. в этом случае требуется

постоянная активность ядра процессора. Лучшим способом

является реакция на нажатие клавиш клавиатуры по прерываниям.

Для этого задействуются аппаратно-реализованные функции как

микроконтроллера MSP430, так и последовательного регистра

PCA9538. Как и в случае с программным опросом, разряды P4…P6

регистра PCA9538 настраиваются на вывод, а разряды P0…P3 – на

ввод. Однако, сканирование столбцов («бегущий ноль») не

осуществляется. Вместо этого на все линии P4…P6 подается

низкий уровень, а вывод INT (сигнал _ 1INT RG ) настраивается

на формирование запроса прерывания при изменении сигналов на

входных линиях строк P0…P3. В результате ядро процессора

может находиться в режиме пониженного потребления, пока не

поступит сигнал запроса прерывания. В обработчике этого

прерывания процессор организует опрос состояния сигналов на

линиях строк, дешифрирует код нажатой клавиши и вновь

переходит в режим пониженного энергопотребления.



100

Принципиальная схема подключения клавиатуры при помощи

регистра PCA9538 показана на рис. 4.10, размещение клавиатуры

на плате стенда показано на рисунке 4.11.

KL0

KL2 INT_RG1

KL1 KL1

KL3

KL1

KL0

RST_RG1

KL3

KL2

VD2 LL4148

VD3 LL4148

KL3

KL2

KL0

VD4 LL4148

VD1 LL4148

KEY_A1

Slave address RG1 = 73hKEY_A0

KEY_A1

SCL

KEY_A2

KEY_A0

0.1uF

SDA

KEY_A2

KEY_A3

RST_RG1

KEY_A3

INT_RG1

DD9 PCA9538DW

"*"

"1"

"4"

"7"

"#"

"3"

"6"

"9"

"0"

"2"

"5"

"8"

AK-304-N-BBW

10kR39

10kR40

100kR36

100kR35

100kR37

100kR38

Рис. 4.10. Принципиальная схема подключения клавиатуры

Рис. 4.11. Размещение клавиатуры на плате стенда

Подключение светодиодного индикатора. Индикатор из

восьми светодиодов подключен через последовательный регистр

PCA9538 к шине I2C. Адресные линии регистра PCA9538,

управляющего светодиодами, A0 и A1 подключены к общей шине,

поэтому адрес регистра при обращении к нему по шине I2C – 70h.

При записи в последовательный регистр 8-разрядного числа,

загораются или гаснут светодиоды, соответствующие номеру



101

разряда записанного числа (если в разряде 0 – светодиод гаснет,

если 1 – светится).

Принципиальная схема подключения светодиодного

индикатора изображена на рис.4.12, а размещение на плате –

рис.4.13.

Рис.4.12. Принципиальная схема подключения светодиодного

индикатора

Рис. 4.13. Размещение светодиодного индикатора на плате


Перед началом выполнения практической части лабораторной

работы проводится экспресс-контроль знаний по принципам

функционирования модулей USART в режиме I2C, входящих в

состав микроконтроллера MSP430, а также по протоколу обмена

данными по интерфейсу I2C. При подготовке к лабораторной



102

работе необходимо составить предварительный вариант листинга

программы, в соответствие с индивидуальным заданием.

Задание. Разработать в среде программирования IAR

Embedded Workbench или Code Composer Studio программу на

языке С, которая выполняет опрос клавиатуры лабораторного

стенда и выводит информацию о нажатых клавишах с помощью

блока светодиодов. Варианты индивидуальных заданий

представлены в таблице 4.2.

Порядок выполнения задания:

– включить лабораторный макет.

– запустить компилятор IAR Embedded Workbench или Code

Composer Studio.

– создать пустой проект.

– создать файл ресурса для кода программы и подключить его

к проекту.

– ввести код исходного модуля программы обмена данными

между микроконтроллером MSP430F1611 с регистрами PCA9538

по интерфейсу I2C соответствие с индивидуальным заданием,

приведенным в табл. 4.2.

– выполнить компиляцию исходного модуля программы и

устранить ошибки, полученные на данном этапе.

– настроить параметры программатора.

– создать загрузочный модуль программы и выполнить

программирование микроконтроллера.

Проверить работоспособность загруженной в

микроконтроллер программы и показать результаты работы

преподавателю.

В случае некорректной работы разработанной программы,

выполнить аппаратный сброс микроконтроллера, провести отладку

исходного модуля программы и заново проверить

функционирование программы.



103

Таблица 4.2. Варианты индивидуальных заданий

№ Задание

1

Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 1, 2 и *

матричной клавиатуры включением светодиодов 1, 2 и 3

соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при нажатии

клавиши #. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 10 кГц.

2

Разработать программу, фиксирующую нажатия клавиш 5, 7 и 9



клавиши *. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 20 кГц.

3



соответственно. Выход из цикла опроса осуществляется при

одновременном нажатии клавиш * и #. Частота тактовых импульсов

на линии SCL – 30 кГц.

4






5






6




клавиши *. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 60 кГц.

7




клавиши #. Частота тактовых импульсов на линии SCL – 70 кГц.

8








104

Требования к содержанию аналитического отчета


– титульный лист;

– цель и программу проведения исследований;

– характеристики лабораторной вычислительной системы;

– исходный модуль разработанной программы;

– анализ полученных результатов и краткие выводы по

работе, в которых необходимо отразить особенности

использования встроенных в микроконтроллер модуля USART0

при реализации обмена данными по последовательному протоколу

I2C.


1. Приведите алгоритм инициализации модуля USART

микроконтроллера MSP430F1611 для работы в режиме I2C.

2. Поясните принципы обмена данными по интерфейсу I2C.

3. В каком регистре хранится адрес ведомого?

4. Каким образом разрешается конфликтная ситуация,

возникающая при одновременной передаче данных по шине I2C от

нескольких ведущих?

5. Какие регистры используются для настройки параметров

передачи данных с помощью встроенного в микроконтроллер

MSP430F1611 блока USART, работающего в режиме I2C?

6. Какие сигналы прерываний могут генерироваться блоком

USART в режиме I2C?

7. Поясните формат кадра при обмене данных по интерфейсу

I2C.

8. Дайте оценку программного опроса клавиатуры и по

прерываниям с точки зрения энергопотребления.



105

4.3. Разработка программного обеспечения для систем

сбора и обработки информации на базе зеленых

микроконтроллеров


Целью тренинга является изучение принципов

функционирования встроенного в green-микроконтроллер

MSP430F1611 АЦП и методики измерения относительной

влажности и потребляемого тока с помощью датчиков влажности

и тока; приобретение практических навыков и умений при

проектировании программного обеспечения для зеленых систем.


– изучение новой теории и методики создания программного

обеспечения для систем сбора и обработки информации на базе

green-микроконтроллеров;

– изучение основных возможностей и принципов работы

АЦП, аналоговых датчиков физических величин (относительной

влажности и тока).


– получение навыков работы в инструментальной среде IAR

Embedded Workbench или Code Composer Studio;

– подготовка исходного модуля программы

конфигурирования встроенного АЦП для работы с аналоговыми

датчиками физических величин;

– проведение натурных экспериментов по измерению

показаний аналоговых датчиков.

Подготовка к работе


– уяснить цели и задачи работы;

– изучить теоретический материал, приведенный в данном

руководстве, а также в работах [2,8] и [5]. Для более углубленного

изучения рекомендуются работы [9,10], а также [7,11];

– установить инструментальную систему IAR Embedded

Workbench или Code Composer Studio;



106

– ознакомиться с основными возможностями и принципами

функционирования АЦП, изучить принципы работы датчиков

относительной влажности и тока.




4.3.1 Двенадцатиразрядный АЦП12

В состав микроконтроллеров MSP430x13x, MSP430x14x, MSP430x15x, MSP430x16x и MSP430x26x входит 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Модуль АЦП12 обеспечивает быстрые 12-разрядные аналого-цифровые преобразования. Модуль имеет 12-разрядное ядро SAR, схему выборки, опорный генератор и буфер преобразования и управления объемом 16 слов. Буфер преобразования и управления позволяет получать и сохранять до 16 независимых выборок АЦП без вмешательства ЦПУ. Структурная схема АЦП12 показана на рис.4.14 [2].

Ядро АЦП преобразует аналоговый входной сигнал в 12-

разрядное цифровое представление и сохраняет результат в памяти

преобразований. Ядро использует два программируемых/

выбираемых уровня напряжения (VR+ и VR-) для задания верхнего

и нижнего пределов преобразования. Когда входной сигнал равен

или выше VR+ на цифровом выходе (NADC) формируется значение

0FFFh, и ноль, когда входной сигнал равен или ниже VR-.

Входной канал и опорные уровни напряжения (VR+ и VR-)

задаются в памяти управления преобразованиями. Формула

преобразования для результата АЦП выглядит следующим

образом:

in R-ADC

R+ R-

V -VN =4095×

V -V. (4.1)

Ядро АЦП конфигурируется двумя управляющими

регистрами: ADC12CTL0 и ADC12CTL1. Ядро включается битом

ADC12ON. За некоторыми исключениями биты управления АЦП



107

могут быть модифицированы, только когда ENC=0. ENC должен

быть установлен в 1 перед выполнением любого преобразования.

Рис.4.14. Структурная схема АЦП12

Выбор тактирования преобразования. Сигнал ADC12CLK

используется как для тактирования преобразования, так и для

генерации периода выборки. Для выбора источника тактирования

используются биты ADC12SSELx, а частота выбранного

источника может быть поделена на коэффициент от 1 до 8,



108

выбираемый с помощью битов ADC12DIVx. Источниками сигнала

тактирования ADC12CLK могут быть: SMCLK, MCLK, ACLK и

внутренний осциллятор ADC12OSC.

Входы АЦП и мультиплексор. В качестве источников

сигналов для АЦП могут использоваться восемь внешних и четыре

внутренних аналоговых сигнала, коммутируемых аналоговым

входным мультиплексором.

Выбор аналогового порта. Входы АЦП мультиплексированы

с ножками порта Р6, имеющими цифровые КМОП ячейки. При

подаче аналоговых сигналов с напряжением близким к

напряжению переключения цифровой схемы могут возникать

паразитные токи. Отключение цифрового буфера от ножки порта

устраняет протекание паразитного тока и вследствие этого

уменьшает общий потребляемый ток. Биты P6SELx дают

возможность отключать входные буферы ножки порта:

; P6.0 и P6.1 конфигурируются как аналоговые входы

BIS.B #3h,&P6SEL ; P6.1 и P6.0 – функция АЦП12

BIC.B #3h,&P6DIR ; P6.1 и P6.0 переключены на ввод

Генератор опорного напряжения. Модуль АЦП содержит

встроенный генератор опорного напряжения с двумя

выбираемыми уровнями напряжения: 1,5 В и 2,5 В. Любое из этих

опорных напряжений может быть использовано внутренне или

внешне на выводе VREF+.

Чтобы включить внутренний опорный источник необходимо

установить бит REFON=1. Если REF2_5V=1, то внутреннее

опорное напряжение равно 2,5 В, а при REF2_5V=0 опорное

напряжение равно 1,5 В.

Внешние опорные источники могут быть подключены к

VeREF+ и VREF-/VeREF- для задания VR+ и VR- соответственно.

Синхронизация выборки и преобразования. Аналого-

цифровое преобразование инициируется по нарастающему фронту

входного сигнала выборки SHI. Источник для SHI выбирается с

помощью битов SHSx и может быть таким:

– бит ADC12SC;

– модуль вывода 1 таймера А;

– модуль вывода 0 таймера В;



109

– модуль вывода 1 таймера В.

Сигнал SAMPCON управляет периодом выборки и началом

преобразования. Выборка активна, пока сигнал SAMPCON равен

единице. По заднему фронту сигнала SAMPCON стартует аналого-

цифровое преобразование, длительность которого составляет 13

циклов ADC12CLK.

Память преобразований. Результаты преобразований

сохраняются в 16-ти регистрах памяти преобразований

ADC12MEMx. Каждый регистр ADC12MEMx конфигурируется

соответствующим управляющим регистром ADC12MCTLx. Биты

SREFx устанавливают опорное напряжение, а биты INCHx задают

входной канал. Бит EOS определяет конец последовательности,

если используется последовательный режим преобразования. Если

бит EOS в ADC12MCTL15 не установлен, то результаты

преобразования последовательно сохраняются в регистрах с

ADC12MEM15 по ADC12MEM0.

Биты CSTARTADDx определяют первый регистр

ADC12MCTLx, используемый для преобразования. Если выбран

одноканальный или повторный одноканальный режим

преобразования, то биты CSTARTADDx указывают на

единственный используемый регистр ADC12MCTLx.

Режимы преобразований АЦП12. АЦП12 имеет четыре

режима работы, выбираемые битами CONSEQx так, как описано в

табл. 4.3. Подробное описание режимов преобразований

приведено в [2,8].

Таблица 4.3. Перечень режимов работы АЦП

CONSEQx Режим Операция

00 Одноканальный с одиночным преобразованием

Выполняется одно преобразование

в одном канале.

01 Последовательность

каналов

Выполняются однократные преобразования последовательности каналов.

10 Повторяющийся

одноканальный

Выполняется повторяющееся

преобразование в одном канале.

11 Повторяющаяся последовательность каналов

Выполняются повторяющиеся преобразования последовательности каналов.



110

Использование интегрированного температурного

датчика. При использовании имеющегося на кристалле

температурного датчика пользователь выбирает аналоговый

входной канал INCHx=10102. Любая другая конфигурация

рассматривается как выбор внешнего канала.

Типичная передаточная функция температурного датчика

показана на рис. 4.15. При работе с температурным датчиком

период выборки должен быть больше 30 мкс.

Прерывания АЦП. АЦП имеет 18 источников прерывания:

– ADC12IFG0-ADC12IFG15;

– ADC12OV, переполнение AD12MEMx;

– ADC12TOV, переполнение времени преобразования АЦП12.

Рис. 4.15. Типичная передаточная функция

температурного датчика

Биты ADC12IFGx устанавливаются, когда в их

соответствующие регистры памяти ADC12MEMx загружается

результат преобразования. Если соответствующий бит ADC12IEx

и бит GIE установлены, генерируется запрос прерывания.

Состояние ADC12OV появляется, когда результат нового

преобразования записывается в любой регистр ADC12MEMx до



111

прочтения предыдущего результата. Состояние ADC12TOV

генерируется, когда до завершения текущего преобразования

затребована другая выборка-преобразование.

Вектор прерываний ADC12IV. Все источники прерываний

АЦП разделены по приоритетам и являются источником одного

вектора прерываний. Регистр вектора прерываний ADC12IV

используется для определения, какой из разрешенных источников

прерываний АЦП запрашивает прерывание.

При любом типе доступа (чтение или запись) к регистру

ADC12IV автоматически сбрасывается состояние ADC12OV или

ADC12TOV, если любое из них было наивысшим ожидающим

прерыванием. При доступе к ADC12IV флаги ADC12IFGx не

сбрасываются. Биты ADC12IFGx сбрасываются автоматически,

при доступе к соответствующим им регистрам ADC12MEMx, или

же программно.

Форматы управляющих регистров АЦП12 приведены в [2]

стр. 323-331.

4.3.2 Описание лабораторной установки и обработка

результатов

Задания выполняются на лабораторном стенде на базе 16-ти

разрядного микроконтроллера MSP430F1611.

Обработка результатов показаний датчика влажности.

Для измерения влажности используются датчики, основанные на

различных физических принципах и выполненные по различным

технологиям. Можно выделить основные четыре типа датчиков:

емкостные, резистивные, на основе оксида олова и на основе

оксида алюминия (табл. 4.4).

Из представленных четырех основных типов для измерения

влажности, оптимальным по совокупности параметров является

емкостной [9]. Он обеспечивает широкий диапазон измерений,

высокую надежность и низкую стоимость при использовании

микроэлектронной технологии. Благодаря чему мы имеем

миниатюрные габариты чувствительного элемента, возможность

имплементации на кристалле специализированной интегральной

схемы обработки сигнала. Технологичность и высокий выход

годных кристаллов обеспечивают малую стоимость продукции



112

данного типа. Итак, для измерения влажности емкостной метод

является лучшим.

Таблица 4.4. Отличительные особенности различных типов

датчиков влажности

Тип датчика Особенности

Емкостной

Высокая надежность, высокий выход годных

кристаллов, низкая стоимость, широкий

рабочий диапазон.

Резистивный Самые дешевые, малая доля рынка.

На основе оксида

олова

Плохая стабильность, плохая

взаимозаменяемость

На основе оксида

алюминия

Узкий диапазон измерения (малая

влажность)

Рассмотрим отличительные особенности датчиков влажности

емкостного типа, которые предлагает компания Honeywell.

Чувствительный элемент представляет собой многослойную

структуру (рис. 4.16).

На кремниевой подложке (1) напылена платиновая пленка (2),

которая образует первый электрод конденсатора. Диэлектриком

между обкладками служит термореактивный полимер (3), поверх

которого выполнена вторая обкладка конденсатора – платиновая

пленка с перфорацией (4), позволяющая влаге проникать к

абсорбирующему слою (3) и изменять его относительную

диэлектрическую проницаемость, а соответственно – и емкость

конденсатора.

1– кремниевая подложка; 2, 4 – платиновый электрод;

3, 5 – термореактивный полимер; 6 – пыль, грязь, масло.

Рис. 4.16. Структура чувствительного элемента датчика влажности



113

Верхним слоем является пленка термореактивного полимера (5), которая служит защитой от пыли и грязи. Также эта конструкция делает возможной промывку датчиков, для этой цели рекомендуется использовать изопропиловый спирт.

Стоит также особо выделить диэлектрик – термореактивный полимер, который использует Honeywell в своих датчиках влажности. Емкостные датчики на основе термореактивного полимера имеют преимущества по сравнению с датчиками на основе термопластичного полимера: они долговечнее, более стойки к воздействиям окружающей среды, имеют высокую химическую стойкость и обладают широким рабочим температурным диапазоном.

В серии датчиков HIH-4000 при образовании влаги на поверхности чувствительного элемента выходной сигнал устанавливается соответствующим низкому уровню (порядка 39 мВ), т.е. показывает отсутствие влажности. Без сомнения, это нововведение полезно, с помощью него есть возможность формировать сигнал ошибки, так как показания датчиков влажности в условиях конденсации влаги не являются точными.

В лабораторном стенде использован датчик влажности Honeywell HIH-4000-003 (рис. 4.17), технические характеристики которого приведены в табл. 4.5.

Рис. 4.17. Внешний вид датчика влажности Honeywell HIH-4000-

003

Табл. 3.5. Технические характеристики датчика HIH-4000-003

Параметр Значение

Диапазон измерения, % RH 0...100

Повторяемость, ±% RH 0,5

Напряжение питания, В 4,0...5,8

Ток потребления, мА 0,2

Рабочая температура, °С -40...85

Время отклика, с 15



114

Все датчики влажности HIH-4000 комплектуются

калибровочным паспортом. Этот документ отражает реальные

значения выходных напряжений при эталонных значениях

относительной влажности, крутизну характеристики

преобразования, номера партии и пластины, соответствующие

конкретному экземпляру. Таким образом, у каждого датчика своя

передаточная характеристика. Образец калибровочного паспорта и

типичной характеристики преобразования влажности в

напряжение представлены на рис. 4.18.

Преобразование выходного напряжения датчика в относи-

тельную влажность, выполняется по формуле (4.2), параметры

которой определяются из паспорта конкретного датчика:

out(V _ )zero offsetRH

slope

, (4.2)

где RH – относительная влажность, %;

outV – выходное напряжение датчика, В;

_zero offset – начальное смещение, равно outV @0%RH , В;

slope – угол наклона, В / % RH.

Vout @ 75,3% RH

Vout @ 0% RH

Рис. 4.18. Образец паспорта и характеристики преобразования

датчика влажности



115

Угол наклона slope определяет линейную зависимость

выходного напряжения от относительной влажности, и

вычисляется по формуле:

out outV @75,3% V @0%

75,3% 0%

RH RHslope

, (4.3)

где outV @75,3%RH – выходное напряжение при влажности

75,3%, В;

outV @0%RH – выходное напряжение при влажности 0%, В.

Напряжение питания датчика 5 В, поэтому для согласования с

АЦП используется резистивный делитель 10/11 (1 МОм/ 1,1 МОм),

и повторитель на операционном усилителе. Выход операционного

усилителя подключен к входу АЦП – ADC0_IN. В качестве

опорного напряжения для модуля АЦП выбирается внешний

источник VR+=VeREF+=3,3В, VR–=0В. С учетом этого формула

преобразования аналогового входного сигнала inV в цифровой

ADCN принимает вид:

in R- inADC

R+ R-

V -V VN =4095× =4095×

V -V 3,3. (4.4)

Таким образом, учитывая (4.3) и (4.4) получим формулу для

пересчета результата преобразования АЦП в значение

относительной влажности:

ADCN3,3 1,1 _

4095zero offset

RHslope

. (4.5)

Принципиальная схема подключения датчика влажности

показана на рис. 4.19, а его размещение на плате показано на

рис. 4.20.



116

Рис.4.19. Схема подключения датчика HIH4000-003

Рис. 4.20. Размещение датчика влажности на плате

Обработка результатов показаний датчика тока. В

лабораторном стенде использован датчик тока INA139 с токовым

выходом. Его характеристики приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Технические характеристики датчика тока INA139

Параметр Значение

Диапазон входного напряжения, мВ 100…500

Синфазное входное напряжение, В 2,7…40

Коэффициент передачи, мА/В 1

Погрешность коэффициента передачи при +25°С, % 1

Полоса пропускания -3 дБ, кГц 440

Напряжение питания, В 2,7…40

Ток потребления, мА, макс 0,125

Рабочая температура, °С -40…85



117

На рис. 4.21 показана схема с применением INA139, в которой

кроме токового шунта требуется единственный внешний

компонент – резистор RL.

В лабораторном стенде датчик тока INA139 измеряет ток

потребления системы. Принципиальная схема подключения

датчика тока показана на рис. 4.22.

Выходное напряжение датчика определяется по формуле:

outV1000

Is Rs Rl , (4.6)

где Is – ток потребления системы, А;

Rs – измерительное сопротивление, Ом ( Rs = 0,21 Ом);

Rl – сопротивление нагрузки, Ом ( Rl = 30100 Ом).

Рис. 4.21. Датчик тока в положительном полюсе с

токовым выходом

Подставив значения, получим формулу пересчета выходного

напряжения датчика в ток потребления системы Is , А:

Vout

30,1 0,21Is

. (4.7)



118

Рис. 4.22. Принципиальная схема подключения

датчика INA139

Для согласования выхода датчика тока с входом АЦП

используется повторитель на операционном усилителе. Выход

операционного усилителя подключен к входу АЦП – ADC1_IN. В

качестве опорного напряжения для модуля АЦП выбирается

внешний источник VR+=VeREF+=3,3В, VR–=0В. С учетом (4.1) и (4.7)

формула пересчета результата преобразования АЦП в значение

тока потребления системы Is принимает вид:

ADC

ADC

N3,3

N 3,34095

30,1 0,21 4095 30,1 0,21Is

. (4.8)

Размещение датчика тока на плате показано на рис.4.23.



119


Перед началом выполнения практической части лабораторной

работы проводится экспресс-контроль знаний по принципам

функционирования модуля АЦП, входящего в состав

микроконтроллера MSP430F1611. При подготовке к лабораторной

работе необходимо составить предварительный вариант листинга

программы, в соответствие с индивидуальным заданием.

Рис. 4.23. Размещение датчика тока на плате стенда

Задание: разработать в среде программирования IAR

Embedded Workbench или Code Composer Studio программу на

языке С для измерения значений влажности и тока потребления в

соответствие с параметрами режима работы, приведенными в табл.

4.7.

Порядок выполнения задания:

– включить лабораторный макет

– запустить компилятор IAR Embedded Workbench или Code

Composer Studio.

– создать пустой проект.

– создать файл ресурса для кода программы и подключить его

к проекту.

– ввести код исходного модуля программы для считывания

данных с модуля АЦП.

– выполнить компиляцию исходного модуля программы и

устранить ошибки, полученные на данном этапе.

– настроить параметры программатора.



120

– создать загрузочный модуль программы и выполнить

программирование микроконтроллера.

– проверить работоспособность загруженной в

микроконтроллер программы и показать результаты работы

преподавателю.

В случае некорректной работы разработанной программы,

выполнить аппаратный сброс микроконтроллера, провести отладку

исходного модуля программы и заново проверить

функционирование программы.

Таблица 4.7. Варианты индивидуальных заданий

№ Задание

1

Разработать программу, выполняющую измерение относительной

влажности в режиме одиночного преобразования (делитель частоты

равен 2) и отображающую результат измерений на ЖКИ.

2


влажности в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты


3


влажности в режиме одиночного преобразования (делитель частоты


4


влажности в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты


5

Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока в

режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 6) и

отображающую результат измерений на ЖКИ.

6

Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока

в режиме одиночного преобразования (делитель частоты равен 7) и


7

Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока в

режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 4) и


8

Разработать программу, выполняющую измерение потребляемого тока

в режиме непрерывного преобразования (делитель частоты равен 1) и




121

Требования к содержанию аналитического отчета Отчет должен содержать:

– титульный лист;

– цель и программу проведения исследований;

– характеристики лабораторной вычислительной системы;

– исходный модуль разработанной программы;

– анализ полученных результатов и краткие выводы по

работе, в которых необходимо отразить особенности

использования встроенного в микроконтроллер модуля АЦП для

измерения аналоговых сигналов.


1. Поясните принцип работы встроенного в микроконтроллер

MSP430F1611 12-разрядного АЦП.

2. Перечислите основные управляющие регистры АЦП,

встроенного в микроконтроллер MSP430F1611, и поясните их

функции.

3. Поясните принцип измерения температуры с помощью

интегрированного датчика температуры.

4. Какие типы датчиков влажности вы знаете?

5. Каким образом осуществляется согласование уровней

напряжения на выходе датчика влажности и входе АЦП?

6. Приведите основные характеристики датчика тока INA139.

7. Запишите формулы расчета значений относительной

влажности и потребляемого тока по результатам АЦП

преобразований.



122

4.4 Методология разработки программного обеспечения

для автономных и встраиваемых энергоэффективных систем

Частью тренинга является проведение семинара. В ходе

семинара выполняется анализ современных и перспективных

подходов при создании программного обеспечения

энергоэффективных автономных и встраиваемых green-систем.

Цель семинара

Приобретение знаний и практических навыков по подготовке

и презентации выполненного проекта (реферата, аналитического

обзора, разработки) по вопросам современных и перспективных

подходов при создании программного обеспечения

энергоэффективных автономных и встраиваемых green-систем.

Подготовка к семинару

Получение (определение) темы работы (реферата

аналитического обзора, разработки) и уточнение задач. Темы

работ могут формироваться обучаемыми самостоятельно и

согласовываться с руководителями исходя из ориентировочного

перечня:

– методология разработки программного обеспечения для

энергоэффективных микроконтроллерных систем;

– особенности использования интеллектуальных

периферийных модулей green-микроконтроллеров в задачах

энергосбережения;

– методы обработки внешних событий по прерываниям и

поллингом;

– управление энергопотреблением в green-системах;

– конфигурирование систем тактирования и синхронизации

green-микроконтроллеров;

– коммуникационные протоколы и интерфейсы green-систем.

Разработка плана работ и распределение

ответственности между участниками целевой группы. План

работ может быть представлен в виде диаграммы Ганта,

включающей основные мероприятия, сроки и распределение

ответственности между участниками целевой группы.



123

Целевая группа состоит из 3 человек. Примерный ресурс

времени на подготовку 9х3=27 часов (+ 15 мин презентации).

Распределение ответственности определяют участники группы.

Поиск информации по теме работы (библиотека,

Интернет) и ее предварительный анализ. Англоязычные термины

даны для удобства поиска информации в Интернет. Возможно

представление реферата и презентации на английском языке, что

повысит оценку за семинар. Методические указания и список

рекомендуемой литературы к рефератам выдаются

индивидуально (по группам).

Разработка плана отчета и презентации проекта. План

отчета (презентации) включает подготовку следующих разделов:

– введение (актуальность проблемы, краткий анализ

состояния вопроса – обзор литературных источников, цели и

задачи реферата, анализ исходных данных, обоснование методов

достижения поставленной цели, структура и характеристика

реферата, план работ и распределение ответственности);

– основные разделы работы – систематизированное

изложение содержания реферата (характеристика моделей,

методов, средств, технологий по группам, выбор показателей и

критериев для оценки, сравнительный анализ);

– выводы (основные результаты работы, констатация

достижения поставленной цели, основные теоретические и

практические результаты, их значимость, направления

дальнейших работ);

– перечень ссылок;

– приложения.

Написание отчета. Отчет имеет объем 15-20 страниц

формата А4 (шрифт 14, интервал полуторный, поля 2 см),

включая титульный лист, содержание, основной текст, перечень

ссылок, выводы, приложения.

Обязательным приложением к реферату является план работ

и распределение ответственности, презентационные слайды и

электронный вариант всех материалов.



124

Подготовка презентации. Презентация разрабатывается в

PowerPoint и соответствует плану реферата (10-15 слайдов).

Общее время презентации – 10 мин.

Презентация должна включать следующие слайды:

– титульный слайд (с указанием темы доклада, автора, даты

презентации);

– содержание (структура) доклада;

– актуальность проблемы, цель и задачи доклада исходя из

этого анализа;

– слайды с раскрытием содержания поставленных задач;

– выводы по докладу;

– список использованных источников.

Каждый из слайдов должен содержать колонтитул с

указанием темы и авторов доклада. Содержание слайдов не

должно представлять собой части текста из отчета, а включать

ключевые слова, рисунки, формулы.

Защита работы

Защита работы представляет собой устный публичный доклад

на семинаре, на который отводится до 10 минут с последующим

обсуждением в течение 5 минут. Устный доклад включает:

раскрытие целей и задач проекта, его актуальность, описание

выполненного проекта, основные выводы и предложения,

разработанные обучающимися. Оценка за выполненную работу

выставляется каждому обучаемому из группы авторов доклада

индивидуально в соответствии с результатами и распределением

ответственности.

Оценка работы

По результатам проверки реферата и защиты проекта

выставляется оценка. На этапе защиты проекта реферат, плакаты

и доклад имеют примерно равную значимость по отношению к их

вкладу в результирующую оценку. Зачастую обучающиеся

недооценивают важность демонстрационных плакатов, а работе

над докладом и вообще не придают значения. Это приводит к

снижению оценки, которая потенциально могла бы быть и выше.

Поэтому для успешной защиты следует уделить должное



125

внимание докладу и плакатам. Структура рисунков на плакатах

должна отражать решение поставленных в работе задач. В ходе

доклада общие задачи проекта, сформулированные во введении,

могут и должны быть обоснованно уточнены и

конкретизированы. Выбор методов, способов и средств решения

задач должен быть обоснован. Основная часть заключения – это

выводы и рекомендации. Следует указать, достигнута ли в работе

поставленная цель. Выводы вытекают из решенных задач.

Рекомендации могут относиться к возможному применению

полученных результатов на практике, модификации методов

решения поставленных задач.

Анализ результатов проводиться по следующим критериям:

1. Навыки самостоятельной работы с материалами, по их

обработке, анализу и структурированию.

2. Умение правильно применять методы исследования.

3. Умение грамотно интерпретировать полученные

результаты.

4. Способность осуществлять необходимые расчеты,

получать результаты и грамотно излагать их в отчетной

документации.

5. Умение выявить проблему, предложить способы ее

разрешения, умение делать выводы.

6. Умение оформить итоговый отчет в соответствии со

стандартными требованиями.

7. Умение защищать результаты своей работы, грамотное

построение речи, использование при выступлении специальных

терминов.

8. Способность кратко и наглядно изложить результаты

работы.

9. Уровень самостоятельности, творческой активности и

оригинальности при выполнении работы.


1. Шамраев А.А., Коваленко А.А. Индустриальное применение энергоэффективных микроконтроллеров MSP430 Зеленая ИТ-инженерия. Том 2. Системы, индустрия, социум.



126

Раздел 31 /Под ред. Харченко В.С. Нац. аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", 2014. – c.492-515.

2. Семейство микроконтроллеров MSP430x1xx. Руководство

пользователя: Пер. с англ. М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2004. – 368с.

3. Семейство микроконтроллеров MSP430. Рекомендации по

применению: Пер. с англ. М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2005. – 544с.

4. Семейство микроконтроллеров MSP430x4xx. Руководство

пользователя: Пер. с англ. М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2005. – 416с.

5. «MSP 430 IAR C/C++ Compiler Reference Guide» ew430_compilerreference.pdf.

6. Бойт К. Цифровая электроника / К. Бойт. – М.: Техносфера, 2007. – 472с.

7. Шпак Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров. – К.: МК-Прес, 2006. – 400с.

8. Семейство микроконтроллеров MSP430x2xx. Архитектура, программирование, разработка приложений / перевод А. Евстифеев. – М.: ДМК Пресс, Додэка XXI, 2015. – 544с.

9. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384с.

10. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – М.: Мир, 2001. – 704с.

11. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. – М.: Постмаркет, 1999. – 528с.

12. Smart Autonomous 32-bit Microcontroller Peripherals Push

the Boundaries of Ultra-Low-Power Embedded System Design,

Silicon Labs, 2012. - http://www.silabs.com/Supprot%20Documents/

TechnicalDocs/low-power-32-bit-microcontroller-dtm.pdf

13. PicoPower Technology, 2013

http://www.atmel.com/technologies/lowpower/picopower.aspx

14. http://www.academia.edu/3784688/an_energy_efficient_

microcontroller_based_digital_solar_weighing_machine

15. http://www.cortus.com/MOSIS_APS3_Datasheet.pdf

http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/low-power-32-bit-microcontroller-dtm.pdf


http://www.academia.edu/3784688/an_energy_efficient_%20microcontroller_based_digital_solar_weighing_machine


Анотація

127

АНОТАЦІЯ

Зелені сенсорні мережі та микроконтролерні системи.

Методи і засоби дослідження і розробки Тренінг. / Коваленко

А.А., Лукашенко В.В., Плахтєєв А.П., Плахтєєв П.А., Орєхов О.О.,

Харченко В.С., Шамраєв А.А., Шамраєва О.О. / За ред.

Харченка В.С. – Міністерство освіти і науки України, Національний

аерокосмічний університет ім. Н.Е.Жуковського «ХАІ», Харків. –

2016. – 158 с.

Викладено матеріали тренінг-курсу LLL2 "Techniques and

Tools for Green Industry Systems and Networks", розробленого в

рамках проекту TEMPUS «Green Computing & Communication»

(530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).

Курс базується на методичних та інструментальних засобах,

призначених для оволодіння практичними навичками розроблення

та дослідження енергоефективних мікроконтролерних систем,

сенсорних мереж, а також мереж, толерантних до затримок (Delay

Tolerant Network). Надано опис лабораторних робіт і тренінгів, які

виконуються з використанням спеціальних програмно-апаратних

засобів.

Для інженерів, які займаються розробленням та

впровадженням енергоефективних мікропроцесорних систем і

сенсорних та глобальних мереж, магістрів і аспірантів

університетів, які навчаються за напрямами комп'ютерних наук,

комп'ютерної та програмної інженерії, при вивченні та

дослідженні методів і засобів зеленої ІТ-інженерії.

Библ. – 50 наименований, рисунков – 64, таблиц – 20.

Зміст

128

ЗМІСТ

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ ....................................................................... 3

ВСТУП ................................................................................................... 4

1. УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯМ ВУЗЛІВ

СЕНСОРНИХ МЕРЕЖ ........................................................................ 7

1.1 Способи зниження енергоспоживання для мікроконтролерів

вузлів сенсорних мереж ....................................................................... 8

1.2 Управління енергоспоживанням 8-розрядних мікроконтролерів

AVR серії ATmega ................................................................................ 8

1.3 Налагоджувальна плата для мікроконтролера ATmega328P ... 13

1.4 Управління тактовою частотою 32-розрядного ARM

мікроконтролера LPC2134 ................................................................. 15

1.5 Управління енергозбереженням LPC2134 ................................. 18

1.6 Налагоджувальні засоби для контролера LPC2134 NXP ......... 19

Контрольні питання і завдання ......................................................... 23

Література ........................................................................................... 24

2. РОЗРОБКА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОЇ СЕНСОРНОЇ МЕРЕЖІ

ДЛЯ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ЛІСНИХ РЕСУРСІВ. .............. 25

2.1 Застосування сенсорних мереж у системах моніторингу ......... 26

2.2 Проектування енергоефективної сенсорної мережі .................. 27

2.3 Проектування інфраструктури сенсорної мережі за допомогою

інструментального засобу «Test Polygon» ........................................ 35


Література ........................................................................................... 46

3. ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОМП'ЮТЕРНИХ

МЕРЕЖ З ТОЛЕРАНТНІСТЮ ДО ЗАТРИМОК............................. 49

3.1 Розрахунок інформаційного і енергетичного ресурсу мереж с

толерантністю до затримок................................................................ 49

3.2. Тенденції розвитку інформаційно-комунікаційних і

комп'ютерних мереж з толерантністю до затримок і обмежень

енергоресурсу ..................................................................................... 80


Література ........................................................................................... 83

Зміст

129

4. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ

ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ІНДУСТРІАЛЬНИХ

МІКРОКОНТРОЛЕРНИХ СИСТЕМ ................................................ 85

4.1 Апаратна платформа для розробки програмного забезпечення

на базі мікроконтролера MSP430F1611 ............................................ 86

4.2 Вивчення принципів програмного управління обміном даними

по послідовному інтерфейсу I2C в енергоефективних

мікроконтролерних системах ............................................................ 89

4.3. Розробка програмного забезпечення для систем збору та

обробки інформації на базі зелених мікроконтролерів ................. 105

4.4 Методологія розробки програмного забезпечення для

автономних і вбудованих енергоефективних систем .................... 122

Контрольні питання і завдання ....................................................... 125

Література ......................................................................................... 126

АНОТАЦІЯ ....................................................................................... 127

ABSTRACT ....................................................................................... 130

CONTENT ......................................................................................... 131

ДОДАТОК А

Стенд и програма для дослідження режимів енергозбереження

мікроконтролера ATmega328 в Arduino Mini -

Blink_Mini_sleep_Serial.ino .............................................................. 133

ДОДАТОК Б

Стенд и програма для дослідження управління тактовою частотою

мікроконтролера LPC2134 ............................................................... 138

ДОДАТОК В. НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ................................... 142

Abstract

130

ABSTRACT

Green sensor networks and microcontroller systems. Methods

and means research and development. Training. / Kovalenko А.А.,

Lukashenko V.V., Plakhteev A.P., Plakhteev P.A., Orekhov A.A.,

Kharchenko V.S., Shamraev А.А., Shamraeva O.О. / Kharchenko V.

(edit.). – Department of Education and Science of Ukraine, National

Aerospace University named after N. Zhukovsky “KhAI”, Kharkiv. –

2016. – 158p.

Practical materials of study training course LLL2 "Techniques and

Tools for Green Industry Systems and Networks" are expounded in this

training textbook prepared for PhD-students within the framework of

project TEMPUS-GREENCO «Green Computing & Communications»

(530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR).

The course focuses on the getting of skills on practical application

of techniques and tools to develop and implement energy-efficient

sensor networks, monitoring and industrial microcontroller systems,

and so-called delay tolerant networks, and learning of algorithms and

technologies of calculation and choice of characteristics for such

systems and networks. Course curriculum, description of seminars,

practical trainings and methodical recommendations for self-sufficient

study are given.

The book is intended for engineers developing and implementing

energy-efficient networks and microcontroller systems, master and PhD

students learning computer sciences, computer and software

engineering, and techniques and tools of green IT engineering.

Ref. – 50 items, figures – 61, tables – 20.

Content

131

CONTENT

INTRODUCTION ................................................................................ 4

1 SENSOR NODE NETWORK POWER CONSUMPTION

MANAGEMENT ................................................................................. 7

1.1 Means power consumption decreasing for microcontroller nodes

of sensor networks ................................................................................ 8

1.2 Power consumption management of 8-bit microcontrollers AVR

family ATmega ..................................................................................... 8

1.3 Toolkit for microcontroller ATmega328P .................................... 13

1.4 Clocking management of 32-bit ARM microcontroller LPC2134 15

1.5 Power consumption management LPC2134 ................................. 18

1.6 Toolkit for microcontroller LPC2134 NXP ................................. 19

Questions and tests ............................................................................. 23

References .......................................................................................... 24

2 DEVELOPMENT OF ENERGY EFFICIENT SENSOR

NETWORKS FOR FOREST MONITORING SYSTEMS. ............... 25

2.1 Application of sensor networks in monitoring systems ................ 26

2.2 Development technique of energy efficient sensor network ........ 27

2.3 Development of sensor network for forest monitoring systems

using tool «Test Polygon» .................................................................. 35


References .......................................................................................... 46

3 RESEARCH OF DELAY TOLERANT NETWORKS ENERGY

EFFICIENCY ..................................................................................... 49

3.1 Calculation of information and energy resources for delay tolerant

networks ............................................................................................. 49

3.2 Tendencies of information and computer networks tolerating

delays and energy limitations ............................................................. 80


References .......................................................................................... 83

4 DEVELOPMENT OF SOFTWARE FOR INDUSTRIAL ENERGY

EFFICIENT MICROCONTROLLER SYSTEMS ............................. 85

Content

132

4.1 Microcontroller MSP430F1611 based platforms for green software

development ....................................................................................... 86

4.2 Principles of data transmission program control on application of

interface I2C in energy efficient microcontroller systems ................. 89

4.3. Software development for green microcontroller systems of data

collection and processing ................................................................. 105

4.4 Technique of software development for autonomous and

embedded energy efficient microcontroller systems ........................ 122

Questions and tests ........................................................................... 125

References ........................................................................................ 126

ABSTRACT ..................................................................................... 130

CONTENT ....................................................................................... 131

APPENDIX А

Toolkit and program of power saving modes research for

microcontroller ATmega328 in Arduino Mini ................................. 133

APPENDIX B

Toolkit and program of clocking management research for

microcontroller LPC2134 ................................................................. 138

APPENDIX C. TECHING PROGRAM ......................................... 142

Приложение А

133

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Стенд и программа для исследования режимов

энергосбережения микроконтроллера ATmega328 в Arduino

Mini - Blink_Mini_sleep_Serial.ino

В составе стенда (рис. ПА.1а) микроконтроллер связан с

светодиодами D1(вывод D13) и D2(вывод ШИМ D5), кнопкой

пробуждения WAKEUP (вывод прерыванияD3/ INT1),

перемычкой разрешения перехода в режим сна ENINT1(вывод

D4) а выход передатчика UART ( D1/TXD) связан с входом

терминала, отображающего передаваемые микроконтроллером

сообщения (рис. ПА.1 б).

В активном режиме (RUN MODE) микроконтроллер каждые

500 мс изменяет параметр ШИМ на выходе D5 и яркость

свечения светодиода D2, переключает состояние светодиода D1

сигналом на выходе D13 и отправляет по асинхронному

интерфейсу (D1/TXD )сообщения о текущем состоянии. Через

два полных цикла изменения ШИМ 1..128 микроконтроллер

переходит в заданный режим сна (SLEEP MODE), если разокнута

перемычка разрешения перехода в режим сна ENINT1(на выводе

D4 «1»). Если на выводе D4 «0» перехода в режим сна не

происходит, а продолжаются циклы управления нагрузками.

Выход из режима сна происходит при поступлении уровня «0»

сигнала прерывания от кнопки WAKEUP или при сбросе

микроконтроллера (цепь сброса RESET/PC6 на схеме не

показана).


134

а)

б)

Рис. ПА.1. Схема стенда (а) и передаваемые сообщения (б)

Для выполнения указанных функций в микроконтроллер

должен быть загружен результат компиляции приведенной ниже

программы, что выполняется интегрированной средой


135

разработки Arduino. Программа может использоваться в 6

вариантах в зависимости от выбранного режима сна

микроконтроллера:

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_ххх);

В программе используются библиотеки avr/interrupt.h,

avr/power.h и avr/sleep.h, которые размещаются в папке:

path_to_arduino \arduino-ххх\hardware\tools\avr\avr\include\avr\ .

/*

Blink

Turns on an LED on for one second, then off for one second,

repeatedly.

This example code is in the public domain.

*/

#include <avr/interrupt.h>

#include <avr/power.h>

#include <avr/sleep.h>

#include <avr/io.h>

// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.

// give it a name:

int led = 13;

int ext1 = 3; // для INT1

int pwm = 5;

int En_ext1 = 4;

int val = 1, count=0;

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

// initialize the digital pin as an output.

pinMode(led, OUTPUT);

pinMode(1,OUTPUT);

pinMode(En_ext1,INPUT);

digitalWrite(En_ext1, HIGH);

digitalWrite(1, HIGH);

pinMode(pwm, OUTPUT);

digitalWrite(ext1, HIGH); //для работы INT1 подтягиваем к

"1"


136

Serial.begin(9600);

Serial.println("RUN mode");

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the

voltage level)

analogWrite(pwm,val);

Serial.print(count);

Serial.print(")");

Serial.println(val);

val = val<<1;

if(val>255) val=1;

delay(500); // wait for a second

digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by making the

voltage LOW

delay(500); // wait for a second

count++;

if(digitalRead(En_ext1)==1) {

if(count>15){ //после 16 циклов переход в сон

count=0;

digitalWrite(led,LOW); // led=0 - off

digitalWrite(pwm,LOW ); // PWM -off

Serial.println("SLEEP mode");

delay(100);

sleepNow(); // переход в сон

Serial.println("RUN mode");

}

}

}

//

void sleepNow(void)

{

// Set pin 2 as interrupt and attach handler:

attachInterrupt(1, pinInterrupt, LOW);

//

// Choose our preferred sleep mode:


137

//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); //least power

savings

//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_ADC);

//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_SAVE);

//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_STANDBY);

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); //most

power savings

//set_sleep_mode(SLEEP_MODE_EXT_STANDBY);

//

sleep_enable(); //разрешение режима сна

//

// Put the device to sleep:

sleep_mode(); //сон с пробужлением по INT1=ext1=0

//

// Upon waking up, sketch continues from this point.

sleep_disable(); // запрет режима сна

}

void pinInterrupt(void)

{

detachInterrupt(1); //запрет прерывания на 16 циклов

переключения LED

}

Приложение Б

138

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Стенд и программа для исследования управления тактовой

частотой микроконтроллера LPC2134

Наряду с физическим стендом - отладочной платой для

контроллера LPC2134, можно использовать пример из Proteus 8.3

(LPC2138 Playing Music) в качестве виртуального стенда (рис.

ПБ.1а ). Для этого необходимо связать модель микроконтроллера

с загрузочным файлом программы приведенной ниже (рис.

ПБ.1б).

а)

б)

Рис. ПБ.1. Виртуальный стенд (а) и настройка

микроконтроллера (б)


139

Этот файл имеет расширение *.hex и генерируется

компилятором. Необходимо также указать частоту

синхронизации микроконтроллера – 14.7456 МГц.

На выходе P0.31 формируется меандр, период которого

составляет фиксированное число тактов. Через 10 импульсов

частота изменяется и, соответственно, изменяется частота

меандра (рис. ПБ.2). Выход P0.31 в отладочной плате связан с

пользовательским светодиодом, что позволяет наблюдать

изменение частоты и получить осциллограммы.

Рис. ПБ.2 Моделирование управления тактовой частотой

микроконтроллера со скоростью горизонтальной развертки 5

мс/дел и фрагмент для детального анализа с 1 мс/дел.


140

Сигнал с Р0.31 дублируется на Р0.7, к которому в

виртуальном стенде подключен излучатель. Это позволяет в

виртуальном стенде получить изменение частоты звука при

перестройке тактовой частоты микроконтроллера.

Приведенная ниже программа не требует вспомогательных

библиотечных файлов, а использует стандартные средства IAR

Embedded Workbench ARM с рабочим пространством по

умолчанию. В память микроконтроллера загружается файл *.hex.

…\IAR_ARM_630\arm\examples\NXP\LPC213x\IAR-P213x

/*--------------------------------------------------------------*/

#include <iolpc2134.h>

#define PLOCK 0x0400

void CPU_F(void);

unsigned int MSEL_val=0,PSEL_val=3,i,PLL_val=0;

long int del;

int main (void)

{

PLLCFG_bit.MSEL=0; PLLCFG_bit.PSEL=3; //14,745

CPU_F(0,5);

CPU_F();

VPBDIV_bit.VPBDIV=1; //0 = cclk/4; 1 = cclk/1; 2 = cclk/2;

IO0DIR=0x80000080; // P0.31 - output

while (1) // Цикл

{

for(i=20;i>0;i--) //20 импульсов одной частоты

{

IO0SET_bit.P0_31=1; // LED_OFF; P0.31=1

IO0SET_bit.P0_7=1; // BUZ_OFF; P0.7=1

del=1000; while (--del!=0);

IO0CLR_bit.P0_31=1; // LED_ON; P0.31=0

IO0CLR_bit.P0_7=1; // BUZ_ON; P0.7=0

del=1000; while (--del!=0);

}


141

switch (PLL_val) // изменение MSEL, PSEL

{

case 0: PLLCFG_bit.MSEL=0; PLLCFG_bit.PSEL=3;

break; //14,745 CPU_F(0,3);


break; //29,491 CPU_F(1,2);


break; //44,237 CPU_F(2,1);


break; //58,982 CPU_F(3,1);

default: PLLCFG_bit.MSEL=0; PLLCFG_bit.PSEL=3;

PLL_val=0; break;

//14,745 CPU_F(0,3);

}//switch

CPU_F(); // Установка частоты

PLL_val++;

}//while

}

void CPU_F(void) // Функция установки частоты

{

PLLCON_bit.PLLE=1; // Enable the PLL

PLLFEED=0xAA;

PLLFEED=0x55;

while(!(PLLSTAT & PLOCK)); // Wait for PLL to lock

PLLCON_bit.PLLC=1; // Enable out PLL

PLLFEED=0xAA;

PLLFEED=0x55;

}

Приложение В. Учебная программа

142

ПРИЛОЖЕНИЕ В. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

DESCRIPTION OF THE COURSE

TITLE OF THE COURSE Code

LLL2. Techniques and Tools for Green Industry

Systems and Networks

Teacher(s) Department

Coordinating: Prof. Kharchenko V. S.

Others: Dr. Kovalenko A.A., Dr

Lukashenko V.V., Dr Plakhteev A.P.,

Plakhteev P.A., Prof Orekhov A.A., Dr

Shamraev A.A., Dr Shamraeva E.O.

Computer Systems and

Networks, National

Aerospace University

KhAI

Study cycle Level of the

module

Type of the

module

Engineer A Full-time tuition

Form of

delivery

Duration Language(s)

Full-time tuition One semester English

Prerequisites

Prerequisites: Computer Systems and System

Analysis; Advanced Processor and Microcontroller

Architectures, Sensor and Global Networks,

Probability Theory and Theory of Experiments. Skills

in Hardware Designing, Computer Software for

Modeling.

Co-requisites

(if necessary):

no

Credits of the

module

Total student

workload

Contact hours Individual

work hours

3 120 54 66

Aim of the module (course unit): competences foreseen by the

study programme

The aim of course is, firstly, to get skills on practical application of

techniques and tools to develop and implement energy-efficient sensor


143

networks, monitoring and industrial microcontroller systems, and so-

called delay tolerant networks, and secondly, to study algorithms and

technologies of calculation and choice of characteristics for such

systems and networks.

Learning outcomes of

module (course unit)

Teaching/learning

methods

Assessment

methods

At the end of course, the

successful student will be

able:

1) to make decisions related

to power consumption

management and decreasing

for sensor network

microcontroller nodes; to

apply techniques and tools to

develop and implement

energy-efficient sensor

networks for different

domains;

Interactive lectures,

Trainings,

Just-in-Time Teaching

Module

Evaluation

Questionnaire

2) to apply techniques and

tools to develop and

implement energy-efficient

sensor networks for different

domains;


Trainings,


Module

Evaluation

Questionnaire

3) to calculate and research

performance and energy

consumption characteristics

for delay tolerant networks;


Training and seminars,


Module

Evaluation

Questionnaire

4) to develop and implement

software for green industrial

microcontroller systems.


Trainings and

seminars,


Module

Evaluation

Questionnaire


144

Themes

Contact work

hours

Time and tasks

for individual

work

Lec

ture

s

Consu

ltat

ions

Sem

inar

s

Pra

ctia

cl w

ork

Lab

ora

tory

work

Pla

cem

ents

Tota

l co

nta

ct w

ork

In

div

idu

al

work

Tasks

1 Sensor Node Network

Power Consumption

Management 1.1 Means power

consumption decreasing for

microcontroller nodes of

sensor networks

1.2 Power consumption

management of 8-bit

microcontrollers AVR family

ATmega

1.3 Toolkit for microcont-

roller ATmega328P

1.4 Clocking management of

32-bit ARM microcontroller

LPC2134

1.5 Power consumption

management LPC2134

4 8 1

2

12 1.6

Toolkit

for

microcon

troller

LPC2134

NXP

2. Development of Energy

Efficient Sensor Networks

for Monitoring Systems

2.1 Application of sensor

networks in monitoring

systems

4 8 1

2

12 2.4.

Techni-

ques,

algo-

rithms of

energy


145

2.2. Development technique

of energy efficient sensor

networks for forest

monitoring system

2.3 Development of sensor

network using tool «Test

Polygon»

efficient

coverage

by

sensors

for

monito-

ring

system

3. Research of Delay

Tolerant Networks Energy

Efficiency

3.1. Technology of delay

tolerant networks

3.2. Calculation of

information and energy

resources characteristics for

delay tolerant networks

3.3 Modeling of delay tolerant

networks

4 2 4 1

0

8 3.4.

Tenden-

cies of

develop-

ment of

networks

tolerating

delays

and

energy

limita-

tions

.

4. Development 0f Software

for Industrial Energy

Efficient Microcontroller

Systems

4.1 Microcontroller

MSP430F1611 based

platforms for green software

development

4.2 Principles of data

transmission program control

on application of interface

I2C in energy efficient

microcontroller systems

4.3. Software development

4 2 6 1

2

12 4.5.

Techniqu

es for

selection

of setting

for green

MC

software

develop-

ment


146

for green microcontroller

systems of data collection and

processing

4.4 Technique of software

development for autonomous

and embedded energy

efficient microcontroller

systems

Total 16 4 26 46 44

Assessment

strategy

Wei

ght

in

%

Dead

lines Assessment criteria

Lecture activity,

including

fulfilling special

self-tasks

10 7,14 85% – 100% Outstanding work,

showing a full grasp of all the

questions answered.

70% – 84% Perfect or near perfect

answers to a high proportion of the

questions answered. There should be

a thorough understanding and

appreciation of the material.

60% – 69% A very good

knowledge of much of the important

material, possibly excellent in

places, but with a limited account of

some significant topics.

50% – 59% There should be a good

grasp of several important topics,

but with only a limited

understanding or ability in places.

There may be significant omissions.


147

45% – 49% Students will show

some relevant knowledge of some of

the issues involved, but with a good

grasp of only a minority of the

material. Some topics may be

answered well, but others will be

either omitted or incorrect.

40% – 44% There should be some

work of some merit. There may be a

few topics answered partly or there

may be scattered or perfunctory

knowledge across a larger range.

20% – 39% There should be

substantial deficiencies, or no

answers, across large parts of the

topics set, but with a little relevant

and correct material in places.

0% – 19% Very little or nothing

that is correct and relevant.

Training,

seminars,

practicum

30 7,14 85% – 100% An outstanding piece

of work, superbly organised and

presented, excellent achievement of

the objectives and evidences.

70% – 84% Students will show a

thorough understanding and

appreciation of the material,

producing work without significant

error or omission. Objectives

achieved well. Excellent

organisation and presentation.

60% – 69% Students will show a

clear understanding of the issues

involved and the work should be

well written and well organised.


148

Good work towards the objectives.

The exercise should show evidence

that the student has thought about

the topic and has not simply

reproduced standard solutions or

arguments.

50% – 59% The work should show

evidence that the student has a

reasonable understanding of the

basic material. There may be some

signs of weakness, but overall the

grasp of the topic should be sound.

The presentation and organisation

should be reasonably clear, and the

objectives should at least be partially

achieved.

45% – 49% Students will show

some appreciation of the issues

involved. The exercise will indicate

a basic understanding of the topic,

but will not have gone beyond this,

and there may well be signs of

confusion about more complex

material. There should be fair work

towards the laboratory work

objectives.

40% – 44% There should be some

work towards the laboratory work

objectives, but significant issues are

likely to be neglected, and there will

be little or no appreciation of the

complexity of the problem.

20% – 39% The work may contain

some correct and relevant material,

but most issues are neglected or are

covered incorrectly. There should be

some signs of appreciation of the


149

laboratory work requirements.

0% – 19% Very little or nothing

that is correct and relevant and no

real appreciation of the laboratory

work requirements.

Module

Evaluation

Quest

60 8,16 The score corresponds to the

percentage of correct answers to the

test questions.

Author

Yea

r o

f is

sue

Title

No of

periodical

or volume

Place of printing.

Printing house or

internet link

Compulsory literature

Ed. by

V. Kharchenko

20

14 Green IT-

Engineering. Volume

1. Principles, models,

HW&SW

National Aerospace

University “KhAI”

Ed. by

V. Kharchenko

20

15 Green IT-

Engineering. Volume

2. Systems, Industry,

SocietyPrinciples,

models, HW&SW

National Aerospace


Ed. by

S.Murugesan,

G.Gangadharan

20

12 Harnessing Green IT:

Principles and

Practices

J. Wiley and Sons Ltd

20

10 STMicroelectronics

STM8L family power

management

AN3147 http://www.bdtic.com/

DownLoad

/ST/AN3147.pdf

P. Greenhalgh

20

11 big.LITTLE

Processing with ARM

Cortex-A15 &

Cortex-A7

White paper

ARM,

http://www.arm.com/fil

es/downloads/big_LIT

TLE_Final_Final.pdf.

20

14 AVR4013: picoPower

Basics

http://www.atmel.com/I

mages/doc8349.pdf


150

А.В. Евстифеев

20

04 Микроконтролле-ры

AVR семейств Tiny

и Mega фирмы

Atmel

М: Додэка-ХХI.-

2004.- 560c.

Atmel 8-bit

microcontroller with

4/8/16/32Kbytes in-

system programmable

Flash

http://www.atmel.com/i

mages/atmel-8271-8-

bit-avr-microcontroller-

atmega48a-48pa-88a-

88pa-168a-168pa-328-

328p_datasheet_compl

ete.pdf

Тревор Мартин

20

06 Микроконтроллеры

ARM7. Семейство

LPC2000 компании

Philips. Вводный

курс

М: Додэка-ХХI.-

2006.- 240c.

20

12 UM10120.

LPC2131/2/4/6/8 User

manual. Rev.4-23

www.nxp.com/docume

nts/user_manual/UM10

120.pdf

http://olimex.com/dev/s

oft/arm/LPC/lpc-

h2138-blink_led.zip

20

15 Amirthavarshini L.J

et al. Wireless Sensor

Networks in Green

Cloud Computing

International

Journal of

Scientific &

Engineering

Research,

Vol.6, Issue

10, Oct

2015

http://www.ijser.org/res

earchpaper%5CWireles

s-Sensor-Networks-in-

Green-Cloud-

Computing.pdf

20

09 Smart Sensor

Networks

Technologies and

Applications for

Green Growth

OECD http://www.oecd.org/sti

/44379113.pdf

Ed. by

V. Kharchenko

20

11 Critical Infrastructure

Safety: Mathematical

and Engineering

Methods of

Assessment and

Assurance

National Aerospace








151

Астраков С.Н.

20

09 Сенсорные сети и

покрытие плоскости

кругами

Дискретный

анализ и

исследова-

ние операций

Том 16, № 3.

C. 3–19.

Snehal A.Jadhav et

al Wireless Sensor

Network Based

Monitoring System

for Forest

International

Journal on

Recent and

Innovation

Trends …,

Vol.3, Is..3

http://www.ijritcc.org/d

ownload/1428990984.p

df

P.S. Jadhav et. al.

20

12 Forest Fire

Monitoring System

Based On ZIG-BEE

Wireless Sensor

Network

International

Journal of

Emerging

Technology

and

Advanced

Engineering,

Vol.2, Is.12

Leila Maleki

20

13 Using Wireless

Sensor Networks for

Detection Reliable

Forest Fires

Elsevier, 26,

2013

http://www.slideshare.n

et/Leila_maleke/using-

wireless-sensor-

networks-for-reliable-

forest-fires

M. Hefeeda, M.

Bagheri

20

09 Forest Fire Modeling

and Early Detection

Adhoc & Sensor

Wireless Networks,

2009. -Vol.7, No.3/4,

p.169-224,

Junguo ZHANG,

Wenbin LI, Ning

HAN, Jiangming

KAN

20

08 Forest fire detection

system based on a

ZigBee wireless

sensor network.

- Higher

Education

Press and

Springer-

Verlag,

2008

http://eps2009.dj-

inod.com/docs/09-04-

23/Forest_fire_detectio

n_system_based_on_a_

ZigBee_wireless_senso

r_network.pdf

M.A. Serna et al

20

15 Distributed Forest

Fire Monitoring

Using Wireless

Sensor Networks

International

Journal of

Distributed

Sensor

Networks,

Volume

2015

http://www.hindawi.co

m/journals/ijdsn/2015/9

64564/

Andrew S.

Tanenbaum,

Maarten van Steen

20

07 Distributed systems:

principles and

paradigms

Pearson Prentice Hall,

2007. - 686 р.


152

Tanenbaum A.S.

20

11

Computer Networks,

5th Ed

Prentice Hall, Cloth,

2011. – 960p.

J.J.P.C. Rodrigues

(Ed.)

20

15 Advances in Delay-

Tolerant Networks

(DTNs): Architecture

and Enhanced

Performance

Elsevier, Cambridge,

2015. – 298 р.

Jae H. Kim and

Myung J. Lee (Eds.) 2

011 Green IT:

Technologies and

Applications

Springer, Berlin, 2011.

- 443 p.

Mohammad

Obaidat, Alagan

Anpalagan, Isaac

Woungang (Eds.)

20

13 Handbook of Green

Information and

Communication

Systems, 1st Edition.

Elsevier /Academic

Press, Amsterdam,

Boston, 2013. – 816р.

F. Richard Yu, Xi

Zhang, Victor C.M.

Leung.

20

12 Green

Communications and

Networking

CRC Press, 2012. -

399р.

L. Bononi et al.

(Eds.)

20

12 Impact of Persistent

Storage on the DTN

Routing Performance

Springer-Verlag Berlin

Heidelberg 2012 -

Р.513–524.

20

04 Семейство


MSP430x1xx.

Руководство

пользователя

М.: Серия

«Библиотека

Компэла». ЗАО

«Компэл», 2004. –

368с.

20



MSP430.

Рекомендации по

применению

М.: Серия



«Компэл», 2005. –

544с.

20



MSP430x4xx.

Руководство

пользователя

М.: Серия



«Компэл», 2005. –

416с.

20

07 MSP 430 IAR C/C++

Compiler Reference

Guide

ew430_compilerreferen

ce.pdf.

Шпак Ю.А.

20

06 Программирование

на языке С для AVR

и PIC


К.: МК-Прес, 2006. –

400с.


153

20



MSP430x2xx.

Архитектура,

программирование,

разработка

приложений

М.: ДМК Пресс,

Додэка XXI, 2015. –

544с

Джексон Р.Г. 2

007 Новейшие

датчики

М.: Техносфера, 2007.

– 384с.

20

12 Smart Autonomous

32-bit Microcont-

roller Peripherals

Push the Boundaries

of Ultra-Low-Power

Embedded System

Design

Silicon Labs, 2012

http://www.silabs.com/

Supprot%20Documents

/ TechnicalDocs/low-

power-32-bit-

microcontroller-

dtm.pdf

20

13 PicoPower

Technology

http://www.atmel.com/t

echnologies/lowpower/

picopower.aspx

Additional literature

L. A. Barroso

U. Hölzle

20

07 The case for energy-

proportional

computing

Computer -

Vol.40,Dec.,

pp. 33 – 37

C. Arun, K.

Lakshmi Sudha

20

12 Agricultural

Management using

Wireless Sensor

Networks - A Survey

2nd

International

Conference

IPCBEE

Vol.48

www.ipcbee.com/vol

48/015-ICESB2012-

B20011.pdf

Zahra Rezaei,

Shima Mobininejad

20

12 Energy Saving in

Wireless Sensor

Networks

International

Journal of

Computer

Science &

Engineering

Survey,Vol.

3, No.1,

http://www.airccse.o

rg/journal/ijcses/pap

ers/0212ijcses03

M.A. Serna, A.

Bermudez, R.

Casado

20

13 Circle-based approximation to forest fires with distributed wireless sensor networks // Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking

Proceedings

of the IEEE

Conference

(WCNC'13),

P. 4329-

4334.









154

M.A. Serna, A.

Bermudez, R.

Casado

20

13 Hull-based

approximation to

forest fires with

distributed wireless

sensor networks

Proc. of the

IEEE 8th

International

Conference

(ISSNIP '13),

P.265–270.

S.-W. Hong, S.-K.

Noh, E. Lee, S.

Park, S.-H. Kim 2

010 Energy-efficient

predictive tracking for

continuous objects in

wireless sensor

networks

Proc.of the IEEE 21st Int. Symposium (PIMRC '10), pp. 1725–1730, IEEE, Istanbul, Turkey

Cao Y.,

Cruickshank H.,

Sun Z. / G.

Giambene and C.

Sacchi (Eds.)

20

11 Asymmetric Spray

and Multi-forwarding

for Delay Tolerant

Networks

Institute for

Computer Sciences..

- 2011 - Р.199–212.

Yu Y., Chen X.

20

13 Research on Custody

Transfer Service in

Delay Tolerant

Network

Journal of

networks,

Vol. 8, №8,

Aug.2013. –

P.1713-1719.

An energy efficient

microcontroller based

digital solar weighing

machinе

http://www.academia.edu/3784688/an_energy_efficient_ microcontroller_based_digital_solar_weighing_machine

Energy Efficient

Embedded

Microcontroller

http://www.cortus.co

m/MOSIS_APS3_D

atasheet.pdf







Содержание

155

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .................................................................. 3

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................... 4

1. УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ УЗЛОВ

СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ ......................................................................... 7

1.1 Способы снижения энергопотребления для микроконтроллеров

узлов сенсорных сетей ......................................................................... 8

1.2 Управление энергопотреблением 8-разрядных

микроконтроллеров AVR серии ATmega ........................................... 8

1.3 Отладочная плата для микроконтроллера ATmega328P ........... 13

1.4 Управление тактовой частотой 32-разрядного ARM

микроконтроллера LPC2134 .............................................................. 15

1.5 Управление энергосбережением LPC2134 ................................. 18

1.6 Отладочные средства для контроллера LPC2134 NXP ............ 19

Контрольные вопросы и задания ...................................................... 23

Литература .......................................................................................... 24

2. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ

ДЛЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ .......... 25

2.1 Применение сенсорных сетей в системах мониторинга ........... 26

2.2 Проектирование энергоэффективной сенсорной сети .............. 27

2.2.1 Выбор сетевой технологии ....................................................... 27

2.2.2 Выбор сетевой топологии ......................................................... 30

2.2.3 Выбор сетевого оборудования ................................................. 32

2.3 Проектирование инфраструктуры сенсорной сети с помощью

инструментального средства «Test Polygon» ................................... 35

2.3.1 Инструментальное средство «Test Polygon» ........................... 35

2.3.2 Задание области исследуемой территории главным

многоугольником ................................................................................ 37


156

2.3.3 Выделение запретной зоны в участке главного

многоугольника .................................................................................. 38

2.3.4 Покрытие результирующей области датчиками ..................... 38

2.3.5 Анализ полученных данных ..................................................... 43


Литература .......................................................................................... 46

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ С ТОЛЕРАНТНОСТЬЮ К

ЗАДЕРЖКАМ ..................................................................................... 49

3.1 Расчет информационного и энергетического ресурса сетей с

толерантностью к задержкам ............................................................ 49

3.1.1 Архитектура и протоколы сетей с толерантностью к

задержкам ............................................................................................ 50

3.1.2 Расчет дальности радиосвязи ................................................... 56

3.1.3 Методика расчета дальности радиосвязи ................................ 61

3.1.4 Программа разработок и исследований ................................... 66

Контрольные вопросы ........................................................................ 79

3.2. Тенденции развития информационно-коммуникационных и

компьютерных сетей с толерантностью к задержкам и

ограничениями энергоресурса ........................................................... 80


Литература .......................................................................................... 83

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ ........................................... 85

4.1 Аппаратная платформа для разработки программного

обеспечения на базе микроконтроллера MSP430F1611 .................. 86

4.2 Изучение принципов программного управления обменом

данными по последовательному интерфейсу I2C в

энергоэффективных микроконтроллерных системах ..................... 89

4.2.1 Система тактирования ............................................................... 90

4.2.2 Режимы пониженного энергопотребления ............................. 91


157

4.2.3 Обработка прерываний ............................................................. 91

4.2.4 Интеллектуальные периферийные модули ............................. 92

4.2.5 Конфигурация последовательного интерфейса для работы в

режиме I2C .......................................................................................... 93

4.2.6 Конфигурирование USART для функционирования I2C ...... 95

4.2.7 Прерывания I2C ......................................................................... 95

4.2.8 Описание лабораторной установки ......................................... 96

4.2.9 Программа исследований ....................................................... 101

Контрольные вопросы и задания .................................................... 104

4.3. Разработка программного обеспечения для систем сбора и

обработки информации на базе зеленых микроконтроллеров ..... 105

4.3.1 Двенадцатиразрядный АЦП12 ............................................... 106

4.3.2 Лабораторная установка и обработка результатов ............... 111

4.3.3 Программа исследований ....................................................... 119

Контрольные вопросы и задания .................................................... 121

4.4 Методология разработки программного обеспечения для

автономных и встраиваемых энергоэффективных систем ........... 122

Контрольные вопросы и задания .................................................. 1245

Литература ........................................................................................ 125

АНОТАЦІЯ ....................................................................................... 127

ЗМІСТ ................................................................................................ 128

ABSTRACT ....................................................................................... 130

CONTENT ......................................................................................... 131

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Стенд и программа для исследования режимов энергосбережения

микроконтроллера ATmega328 в Arduino Mini -

Blink_Mini_sleep_Serial.ino .............................................................. 133

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Стенд и программа для исследования управления тактовой

частотой микроконтроллера LPC2134 ............................................ 138

ПРИЛОЖЕНИЕ В. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА .............................. 142

Для заметок

158

Коваленко Андрій Анатолійович Лукашенко Вікторія Вікторівна Плахтєєв Анатолій Павлович Плахтєєв Павло Анатолійович Орєхов Олександр Олександрович Харченко Вячеслав Сергійович Шамраєв Анатолій Анатолійович Шамраєва Олена Олегівна

ЗЕЛЕНІ СЕНСОРНІ МЕРЕЖІ ТА

МІКРОКОНТРОЛЕРНІ СИСТЕМИ. МЕТОДИ Й ЗАСОБИ ДОСЛІДЖЕННЯ І РОЗРОБКИ

Тренінг

(російською мовою)

Редактор Харченко В.С.

Комп'ютерна верстка Харченко Л.Д.

Зв. план, 2016 Підписаний до друку 03.06.2016 Формат 60х84 1/16. Папір офс. №2. Офс. друк. Умов. друк. арк. 9,18. Уч.-вид. л. 8,75. Наклад 200 прим. Замовлення 56. Ціна вільна

_

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Х а р к і в с ь к и й а в і а ц і й н и й і н с т и т у т"

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17 http://www.khai.edu

Віддруковано ФОП Лисенко І. Б. 61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17, моторний корпус, к. 147

Свідоцтво про внесення суб'єкта видавничої справи в державний реєстр видавців, виготовлювачів і розповсюджувачів видавничої продукції

ДК №2607 от 11.09.06 р.

http://www.khai.edu/

http://www.khai.edu/