В настоящей статье для совершенствования системы и повышении живучести рассматривается более живучий и эффективный стандарт передачи извещений по радиоканалу стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee). Следует отметить его преимущества в сравнение с уже имеющимся стандартам WI-FI и Bluetooth.

Протокол ZigBee [1] был разработан для решения ряда практических задач, в которых требуется контролировать состояние множества датчиков или простых исполнительных механизмов, расположенных на относительно небольших расстояниях, и к которым трудно или нежелательно подключать проводную линию. Такие задачи не требуют передачи больших объемов информации, но в первую очередь важны экономичность, автономность и надежность. Другие беспроводные персональные сети, которые существовали раньше, такие как Bluetooth и
 Wi-Fi, были не очень простыми и дешевыми для этих задач. Кроме того, в таких сетях время активации из состояния ожидания слишком велико, что делает работу узлов сети крайне неэкономичной. Узлы ZigBee можно активировать менее чем за 15 мс (для сравнения, при использовании Bluetooth задержка активации может достигать 3 с). Таким образом, узлы ZigBee могут находиться в спящем режиме в течение более длительного времени с низким энергопотреблением, что обеспечивает более длительный срок службы батареи. Вот несколько примеров задач с использованием сетей ZigBee [2, 3]:

1. Система безопасности здания или территории. Он оснащен датчиками движения различных типов, камерой наблюдения, а также отслеживается вход/выход посетителя или сотрудника, имеющего электронный пропуск.

2. Система автоматизации здания: включение дверей, кондиционеров, опрос аварийных датчиков.

3. Промышленное управление и контроль:

сбор данных о процессах, рабочем состоянии машин и агрегатов.

4. Контроль доступа и освещения в зданиях, сбор информации от счетчиков воды и электроэнергии для ЖКХ.

5. Индивидуальное медицинское диагностическое оборудование: обследование датчиков, размещенных непосредственно на теле пациентов средней степени тяжести, перемещающихся по территории клиники или санатория.

6. Индивидуальное медицинское диагностическое оборудование: обследование датчиков, размещенных непосредственно на теле пациентов средней степени тяжести, перемещающихся по территории клиники или санатория.

История стандарта 802.15.4 началась в 1998 году, когда стало понятно, что существующие стандарты Bluetooth и Wi-Fi были и остаются слишком расточительными для энергетики, неоправданно сложными и не слишком быстрыми для многих устройств, которые нужны рынку. Для решения проблемы был сформирован Альянс ZigBee, который в мае 2003 года сформировал первую версию сетевого стандарта ZigBee на основе стандарта беспроводной связи IEEE 802.15.4. Спецификация ZigBee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 года и стала доступна для членов Альянса ZigBee, а 30 октября 2007 года появилась Спецификация ZigBee 2007.

ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и Австралии, 2,4 ГГц в большинстве стран, включая Россию. Первый выпуск стека теперь называется ZigBee 2004. Второй-ZigBee 2006, он в основном меняет структуру MSG / KVP, использовавшуюся в 2004 году вместе с"кластерной библиотекой". Однако стек 2004 теперь более или менее не используется, и в настоящее время стек zigbee 2007 является текущим. Он содержит два профиля: № 1 (который просто называется ZigBee) для домашнего и малого коммерческого использования и № 2 (или ZigBee Pro). Преимуществом ZigBee является меньший необходимый объем оперативной и флэш-памяти. Улучшения в профиле № 2 включают: поддержку масштабируемости сетей; возможность разделения длинных сообщений на части для реализации взаимодействия с другими протоколами и системами (фрагментация); высокочастотную стабильность и автоматизированные средства управления адресами устройств.

3 марта 2009 года RF4CE (Радиочастоты для бытовой электроники) согласилась работать с альянсом ZigBee, чтобы поделиться стандартизированной спецификацией для дистанционного управления радиочастотами. ZigBee RF4CE был разработан для широкого использования в дистанционно управляемых аудио / видео устройствах, таких как телевизоры и телевизионные приставки. Это предлагает много преимуществ для дистанционного управления над существующими техническими решениями, включая гибкость, расширение соединений и функций, увеличенную надежность, совместимость и удаление ограничения линии визирования.

Применение данного беспроводного стандарта связи имеет ряд преимуществ, сейчас практически каждый компьютер имеет радиоканал связи IEEE 802.11 (WI-FI) в своем составе, который в свою очередь может быть перекодирован в стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee).

Посредством подключения ZigBee модуля через USB порт, либо интегрированного модуля.

То есть в теории любой газовый извещатель, имея в своем составе радиоканал IEEE 802.15.4 (ZigBee) может напрямую передавать данные на автоматизированное рабочее место, при соответствующем программном обеспечении.

ZigBee поддерживает различные конфигурации сети, в том числе следующие топологии: «точка - точка», «звезда», «кластерное дерево (иерархическое)» и «многоячейковая сеть». Сетевые функции стека включают в себя сканирование сети для обнаружения активных каналов, идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям устройств, маршрутизацию. Это позволяет устройствам автоматически входить в сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу.

Рисунок 1 Структура системы раннего обнаружения пожара, использующей радиоканал для сбора информации от газовых пожарных извещателей.

Система построена с использованием автономных беспроводных извещателей газоаналитического контроля со встроенным радиопередающим модулем и локальной звуковой и визуальной индикацией режимов работы. Передача данных через радиоканал осуществляется в одностороннем режиме от извещателей газоаналитического контроля к приемным и контрольным модулям. Такой режим позволил значительно сократить потребление электроэнергии каждым извещателем в отдельности, в результате оказалось достаточным применение только одной батареи в качестве автономного источника питания при незначительном проигрыше в надежности работы системы по сравнению аналогичными системами с двухсторонним обменом.

Система способна обслуживать до 255 извещателей газоаналитического контроля в пределах соты при наличии помех и нескольких работающих параллельно систем пожарной сигнализации. Возможно расширение системы до 1024 извещателей газоаналитического контроля при отсутствии постоянных радиопомех и интерференции с другими радиосигналов. Дальность передачи от извещателей к приемному модулю составляет более 30 метров внутри помещений и более 300 метров на открытом пространстве. Надежность передачи данных через радиоинтерфейс обеспечивается помехоустойчивым кодированием информации и коррекцией ошибок на стороне приемного модуля. Срок работы извещателя газоаналитического контроля при питании от стандартной 9-вольтовой батареи емкостью 400 мАч составляет не менее одного года.

Доступ к узлам сети осуществляется через «координатор», подключаемый к управляющему компьютеру напрямую через COM-порт либо через шлюзы (например, GSM или Ethernet) (Рис. 2)

Рисунок 2 Подключение узлов сети.

Данное подключение узлов сети значительно упрощает построение автоматизированной системы управления противопожарной защиты на объекте, также добавляет возможность удаленной настройки и мониторинга ситуации на объекте посредством радиоканала IEEE 802.15.4 (ZigBee) и Ethernet или GSM.

Для разработки подсистемы предлагается использование газового извещателя для обнаружения пожара на ранней стадии.

Газовый извещатель оборудованный двумя сенсорами, реагирующий на выделяющиеся при тлении или горении материалов газы CO и $H_2$ по изменению химического состава воздуха контролируемого помещения.

Водород ( $H_2$ ) и оксид углерода (СО) являются обязательными компонентами среди выделяющихся газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы и т.д.

Газовый пожарный извещатель подразумевает работу в трех режимах. Дежурный режим предполагает минимальное энергопотребление. Каждые
 10 секунд извещатель опрашивает сенсор на наличие изменения сопротивления; каждые 30 секунды проверяется уровень напряжения питания и чувствительность сенсора и осуществляется локальная и удаленная индикация состояния. Локальная индикация производится однократным включением светодиода каждые 30 с. По мере разряда батареи, при снижении напряжения ниже порога в 7±0,5 В, извещатель начинает выдавать кратковременный звуковой сигнал «РАЗРЯД БАТАРЕИ» одновременно с светодиодного индикатора каждые 30 с. Это происходит в течение мимнимум одной недели. Во время эксплуатации извещателя возможно снижение чувствительности реагирующего элемента в сенсоре. При уменьшении чувствительности, а также при неисправностях электронной схемы, извещатель выдает каждые 30 с кратковременный звуковой сигнал «НЕИСПРАВНОСТЬ», не совпадающий по времени с включением оптического индикатора, также в течение одной недели. Удаленная индикация сводится к передаче информации о состоянии извещателя через радиоинтерфейс не менее 5 раз в час. Режимы снижения уровня напряжения и чувствительности реагирующего элемента не являются критическими и не требуют мгновенной активизации радиопередачи, и, следовательно, данная информация передается в приемно-контрольный модуль при каждом штатном сеансе связи.

При обнаружении повышения допустимого порога, превышающие концентрации газов от 10 ррм и определение изменения концентрации за единицу времени, извещатель переходит в режим «ПОЖАР», включает прерывистый звуковой сигнал «ТРЕВОГА» одновременно с включением оптического индикатора не реже одного раза в секунду. Опрос сенсора производится каждые 8 секунд. Информация о состоянии извещателя в режиме «ПОЖАР» передается удаленному приемному модулю не реже одного раза за 60 с. Извещатель находится в данном режиме до тех пор, пока сенсор регистрирует повышение порогового значения содержания газов в воздухе контролируемого помещения. При активации цепи проверки работоспособности извещателя происходит имитация локального превышения содержания газов на время нажатия кнопки на корпусе извещателя. Следовательно, описание работы извещателя в режиме «ПОЖАР» применимо и в данном случае.

Использование батареи в качестве автономного позволило отказаться от проводов, но поставило задачу обеспечения срока работы извещателя от одной батареи течение минимум 1 года. Решение данной проблемы осуществляется на аппаратном и программном уровнях. Во-первых, основное требование к аппаратной части извещателя - минимальное потребление электроэнергии всеми частями схемы в неактивном режиме. Во-вторых, минимизация потребления во время активной фазы работы отдельных частей извещателя. В-третьих, сокращение длительностей активных фаз каждого элемента извещателя. В-четвертых, аппаратная и программная реализации «спящего» и активного режимов. В-пятых, полностью отключаемые модуль радиопередатчика и схема усиления. В результате, удалось добиться снижения до 30 мкА тока, потребляемого извещателем в дежурном режиме, при номинальном напряжении питания.

Использование радиоканала IEEE 802.15.4 (ZigBee) в автоматизированной системе управления противопожарной защитой объясняется простотой организации, меньшими затратами на монтажные работы, возможностью применения при отсутствии проводных линий связи в чрезвычайных ситуациях, возможностью оперативного изменения структуры и параметров систем, или просто обновление программного обеспечения.

Также, следует отметить, что количество публикаций в этой области очень мало, применение радиоканала IEEE 802.15.4 (ZigBee) в России для построения автоматизированных систем управления противопожарной защитой практически не используется.

Разработка моделей и алгоритмов в автоматизированных системах управления противопожарной защитой по радиоканалу IEEE 802.15.4 (ZigBee) может быть перспективной разработкой.

Новизна данного направления обусловлена отсутствием подобных моделей и алгоритмов построения автоматизированных систем на базе радиоканала IEEE 802.15.4 (ZigBee) и Ethernet.

Литература

1. ZigBee Alliance. ZigBee Specification. http://www.zigbee.org.
2. Варгаузин В. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4. // ТелеМультиМедиа. 2005.
   № 6.
3. Кривченко Т. Технология ZigBee // Коммунальный комплекс России. 2006. № 4.
4. Лукьянченко, А. А. О новом поколении приборов раннего обнаружения пожара [Текст] / А. А. Лукьянченко, А. В. Федоров, А. В. Соколов, А. М. Алешков // Матер. 19-й науч.-техн. конф. "Системы безопасности – 2010". – М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. – С. 178.
5. Лукьянченко, А.А. Обеспечение пожарной безопасности. Автоматизированные системы управления противопожарной защитой объектов с массовым пребыванием людей [Текст] / А. А. Лукьянченко // Строительная безопасность. – 2010. – С. 102.